JP4191267B2

JP4191267B2 - Method of solidifying article extension from melt using ceramic mold

Info

Publication number: JP4191267B2
Application number: JP00512197A
Authority: JP
Inventors: メルビン・ロバート・ジャクソン; バーナード・パトリック・ビレイ; ワイン・アラン・デモ; スティーブン・ジョセフ・フェリグノ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1997-01-16
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2017-01-16
Also published as: EP0785039B1; DE69704722T2; EP0785039A3; EP0785039A2; DE69704722D1; US5904201A; JPH09295104A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に物品の一端に一体伸延部を設ける方法に係る。特に本発明は、方向性配向したミクロ組織と超合金組成を有する物品の一端に適合性の合金組成を有する伸延部を設ける方法であり、さらに特定的には、そのような方法で伸延部を形成するセラミックモールドを使用して溶融合金から直接伸延部を方向性凝固させるための成長用種晶として物品の一端を使用する方法に係る。この方法は、タービンブレード／動翼およびベーン（静翼）／ノズルのような翼ブレード部材ならびにタービンシュラウドおよび燃焼器のこけら板のような非翼物品のチップ（先端部）の修復に利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
超合金から方向性配向した鋳造組織を成長させるためのすでに報告されている技術は、単純な形状および部材を作成するのに適したプロセスから、ガスタービンエンジンの高温部に使用するＮｉ基超合金製ブレード部材の方向性凝固のような複雑な形状を有する物品を形成するのに現在使用されているプロセスに発展して来ている。刊行された文献、たとえば、金属ハンドブック第９版(Metals Handbook Ninth Edition) 、第１５巻、鋳造(Casting) 、米国金属学会インターナショナル(ASM International) （１９８８年）第３１９〜３２３頁には、タービンのブレードやベーンのような方向性配向した超合金ブレード部材の製造プロセスの例がたくさん挙げられている。これらのプロセスはそのほとんどがモールドサセプタ加熱を伴なうなんらかの形態の引出し型真空誘導鋳造炉を利用している。
【０００３】
方向性配向した超合金を製造する鋳造技術では、閉鎖された容器内で溶融している材料（たとえば金属）に流体圧（たとえば、不活性ガスまたは空気）をかけ、管を介してその溶融材料を上方に押し上げる。このような方法とそれに用いる装置の例を開示している特許は米国特許第３，３０２，２５２号であり、冷却されたモールドに向かい鋳込み管を通して物品を上方に連続鋳造する方法に関する。鋳造された物品はモールドから連続的に引出される。
【０００４】
鋳造技術の別の一分野はＥＦＧ（エッジ規定式フィルム供給式成長、Edge-defined, Film-fed Growth ）プロセスといわれることがある。このプロセスでは、液体材料に外圧はかけないが、凝固のために液体材料を上方に引出すには狭い成形管またはダイ内部の毛管作用が利用される。結晶成長を開始させるために液体中に種子結晶を導入することが多い。このプロセスの特徴を開示している典型的な特許としては、米国特許第３，４７１，２６６号、同第４，１２０，７４２号および同第４，９３７，０５３号がある。
【０００５】
上で引用した特許のいくつかで、また方向性配向した物品または単結晶物品の形成に関する鋳造技術のどこかで、選択された結晶配向（一次配向および／または二次配向）を有する種子結晶が使用されている。これらは所望の結晶配向を有する物品の凝固を開始させる手段を構成している。ブレード部材の形成に際しても、部材の形状と結晶配向を定めるためにセラミックモールドのような鋳造形態と組み合わせて種子結晶が用いられている。
【０００６】
従来、単結晶物品または方向性凝固した細長い（結晶）粒子の物品からなる部品（たとえば、ターボ機械翼）の連結には、通常、選択された結晶配向を有する別途鋳造した部材が使用されていた。そのような部材を部材間の界面にわたって組立て接合してひとつの物品にする。米国特許第３，９６７，３５５号および第４，０３３，７９２号はこのタイプの接合に関する代表的な特許であり、後者の米国特許第４，０３３，７９２号には結晶組織を接合面の両側で一致させるのが望ましいことが記載されている。
【０００７】
上記の鋳造技術を使用することによって、ブレード部材のような方向性配向した物品を、単結晶として、または複数の柱状粒子からなる方向性凝固した結晶組織をもたせて形成することができる。単結晶の物品も方向性凝固した物品もいずれも好ましい結晶配向で形成でき、このような配向をある部品内部に形成させて、非等方性の配向に関連した物理的・機械的性質をその部品内のある方向に沿って生成させてもよい。ブレード部材のようなタービンエンジン部品に使われることが多いニッケル基超合金で望まれる結晶配向は、部材の長さに沿った弾性率が最小になるように＜００１＞結晶方向がその部材の縦軸と平行になるものである。この配向ではこれらの部品の良好にバランスのとれたクリープ強さ、延性および熱疲れ耐性が得られることが知られている。すなわち、本明細書に記載する部材は、＜００１＞方向が成長方向となりそれが部材の縦軸に対応するように形成される。
【０００８】
上記のように複雑な形状を有するブレード部材の一例は米国特許第４，０１０，５３１号に記載のターボ機械ブレードである。そのようなブレード部材は端部領域と連通する複雑な中空の内部を有する翼形の外壁を含んでいて、冷却のためのガスが中空の内部から外壁と端部領域を通って循環することができるようになっている。この端部領域は部材の端部から伸延するチップを含んでいる。
【０００９】
翼ブレード部材やその他のガスタービンエンジン部品は、各種の環境に関連する損傷および摩耗機構（たとえば、高速および／または高温の浮遊粒子による衝撃に起因する浸食、高温の酸化性および／または腐食性ガス、低サイクル疲労プロセスおよび他の部材との摩擦によって生起する機械的摩耗）にさらされる過酷な環境で使用されることが多い。これらの機構は、特にブレード部材の端部領域またはチップで、クラックやその他の損傷を引起こすことが知られている。ブレード部材の製造コストは通常かなり高いので、そのチップが損傷したり摩耗したりした後は部材を取替えるより修復する方が望ましいことが多い。方向性配向したミクロ組織を有する超合金ブレード部材やその他の超合金物品が、運転・作動中であれ、その製造中であれ、そのチップまたは伸延した端部領域で損傷した場合、その部品の全体としての性能を低下させないような物理的・機械的性質を修復された部分に維持する必要性があることから修復の問題はさらに複雑で困難になる。翼のような方向性配向した物品で望ましいことが多いように修復された部分で方向性配向したミクロ組織を維持しなければならない場合、その修復部を作成するのに使用する材料中に最初の方向性配向を複製することの困難さのため、この修復の問題は特に重大になる。
【００１０】
タービンブレードチップの修復に使用されているひとつの方法は、チップの損傷または摩耗した部分に溶接や類似のプロセスによって材料を付加することである。この方法の欠点は、溶接部のミクロ組織が方向性配向していないこと、そしてそのためにその物品の方向性配向したミクロ組織の残部と比べてチップすなわち伸延部の機械的特性が低下することである。また、最もよく使われる耐酸化性の材料は溶接が困難で、溶接プロセス中に割れてしまうことが知られている。
【００１１】
別の方法は、別途形成したチップをろう付け、溶接、拡散接合、その他類似の接合プロセスによって翼の端部に付加することである。この方法はたとえば米国特許第３，９６７，３５５号、第４，０１０，５３１号および第４，０３３，７９２号に記載されている。このような方法を使用して、翼の残部の結晶組織と類似する結晶組織をチップ内に形成し、またチップおよび翼の残部の両方のミクロ組織と適合するミクロ組織を接合部に作るのが望ましいことがある。
【００１２】
米国特許第５，２９１，９３７号および第５，３０４，０３９号（いずれも本発明の譲受人に譲渡されており、引用したことにより本明細書に含まれているものとする）にも、ブレード部材のような方向性凝固した物品の端部に伸延部を設けるふたつの方法が記載されている。これらの方法はいずれもダイとセラミック材料からできたダイ伸延部とを両方とも利用する。これらの方法では、流体圧をかけて溶融材料をダイ伸延部中に入れた後、伸延部を形成しようとする物品端部をダイ開口部およびダイ伸延部中に入れて溶融材料と接触させる。物品の端部が溶融材料と相互作用するのに充分な時間物品端部を溶融材料と接触させておいた後、物品端部の伸延部の方向性凝固が可能になるような速度で物品をダイ開口部を介して引出す。これらの方法を使用してブレード部材、特にその端部領域および伸延したチップを修復するやり方が記載されている。
【００１３】
しかし、ブレード部材のような方向性凝固した物品の端部に伸延部を設ける他の方法、特に引用した特許に記載の装置、たとえばセラミックダイおよびダイ伸延部、ならびに溶融材料をダイ中に入れるのに流体圧をかけるための手段を必要としない方法を開発することが望ましい。
【００１４】
【発明の概要】
本発明は、方向性配向したミクロ組織を有する超合金物品、たとえばブレード部材もしくはその他のガスタービンエンジン部品、またはその他の超合金物品の端部に適合性の合金材料、好ましくは超合金材料の溶融浴から直接伸延部を設ける方法に係る。この物品はまた、伸延部を付加しようとする物品端部を貫通して連通している内部通路ももっていることがある。本発明の方法で形成される伸延部は等軸粒子のミクロ組織、複数の粒子を含む方向性配向した結晶組織または単結晶からなり得る。また、本方法は、物品の方向性配向した結晶組織が伸延部中で連続するように伸延部をエピタキシャル成長させるのに使用できる。本方法で形成される伸延部を作成するには、方向性配向した超合金物品を適合性の合金の溶融浴中に浸漬した後制御された条件下で物品を引出す（引抜く）ことによって伸延部を凝固させる。本方法ではまた、伸延部の形状を制御する役割も部分的に果たすセラミックモールドも物品の浸漬部分で使用する。
【００１５】
ひとつの態様において本発明は、物品上に一体伸延部を設ける方法として簡潔に、また広く定義することができる。この方法は、ある断面形状、伸延部接合用表面、および前記断面形状によって定められる外表面を有し、また超合金組成および方向性配向した結晶組織からなるミクロ組織も有している伸延端部を含む物品を選択し、前記伸延端部の断面形状と適合する断面形状および前記伸延端部の外表面と連通している外表面を有するマンドレルを前記伸延部接合用表面に取付け、前記マンドレルの外表面および前記伸延端部の外表面の少なくとも一部を覆って、前記マンドレルによって定められかつ一体伸延部の形状を定めるようにされている形状をもつモールドキャビティーを有しかつ前記モールドキャビティーと連通している少なくともひとつのゲート手段を有するセラミックモールドを形成し、前記マンドレルを取外し、物品の超合金組成と適合する合金組成を有する溶融材料の浴中に物品の前記伸延端部を浸漬して、前記溶融材料が前記ゲート手段を介して前記モールド中に入って前記伸延部接合用表面と接触するようにし、前記伸延部接合用表面の一部が前記溶融材料によって加熱されかつミクロ組織成長用種晶として前記溶融材料と相互作用することができるように充分な時間前記伸延端部を前記溶融材料と接触した状態に保持し、温度が溶融材料と成長用種晶との界面で最高でありこの界面からの距離が増大するにつれて物品内で低下するように物品内の温度勾配を維持することからなる制御された熱的条件下、モールドキャビティーの形状と合致しかつ伸延端部のミクロ組織と適合するミクロ組織を有する一体伸延部として前記溶融材料が前記界面において成長用種晶上で凝固するような速度で溶融材料から前記伸延端部を引出すことからなっている。
【００１６】
第二の態様においてはその場でセラミックモールドを形成する代わりにあらかじめ形成したセラミックモールドを利用することができ、こうするとマンドレルを取付けて取外す必要がなくなる。
伸延部の凝固中の温度勾配の制御によって、得られる伸延部のミクロ組織を制御することができ、たとえば、複数の方向性凝固した粒子からなるミクロ組織または単結晶ミクロ組織を形成することができる。本発明の方法において凝固中の温度勾配をさらに制御するには、伸延部の成長中に物品を加熱および／または冷却する追加工程を使用するとよい。
【００１７】
【発明の詳細な開示】
本発明は、超合金材料の溶融浴から凝固させることによって、方向性配向した超合金物品の一端に直接伸延部を成長させることができる新規な方法に関する。この方法では伸延部の形状を形成するのに役立つセラミックモールドも利用する。成長を開始させるための種晶または手段として物品自体を使用することによって、本方法は、物品の結晶組織および全体的なミクロ組織と適合しかつ連続する結晶組織と全体的なミクロ組織をもつ伸延部、たとえば、伸延部を成長させる元の物品の冶金学的組織と通常は区別できないミクロ組織を有する伸延部を提供するのに使用できる。本方法は、そのような物品上に新しい伸延部を作成したり、現存する伸延部を修復したりまたは取替えたりするのに利用できる。本発明の方法は、広範囲の物品に対して有用である可能性があるが、中空の内部と、伸延部を形成しようとする端部を通ってその中空の内部と連通する開口部または通路とを有する物品に伸延部を設けるのに特に有用である。すなわち、この方法はタービンブレードのような翼ブレード部材のチップを形成したり修復したりするのに特に有用である。
【００１８】
本明細書で使用する「結晶組織」という用語は、結晶の全体的形態、たとえば単結晶、多数の細長い（結晶）粒子およびその他の結晶形、ならびにそれらの配向を意味するものとする。「方向性配向した」、「方向性配向」またはこれらに類似の用語は、強度に配向した結晶組織を指し、たとえば複数の細長い粒子を含む方向性凝固した多結晶組織、および単結晶がある。本明細書で使用する「冶金学的組織」という用語は、全体的な化学的または合金組成、ならびに結晶組織内の析出物、相、介在物、樹枝状結晶などのサイズ、形状、空間的配置および組成といった特性を包含していうものとする。たとえば、鋳造し方向性凝固したＮｉ基超合金は一般に、γ′析出物、空間的に配置された樹枝状晶の枝ならびにその他各種の識別可能な相（たとえば各種炭化物相および炭窒化物相）を含んでいる。これら結晶組織および冶金学的組織は化学分析や分光分析および各種Ｘ線法や顕微鏡法を始めとして広く使用されている公知のさまざまな分析技術によって決定・同定することができる。本明細書で使用する「ミクロ組織」という用語は結晶組織と冶金学的組織の両方を包含する。
【００１９】
図１、図２〜４および図５〜６に示してあるように、本発明は物品の端部に一体となった伸延部を設けるための方法であり、この方法は以下の工程からなる（図１参照）。ある断面形状（図示せず）、伸延部接合または成長用表面６および断面形状によって定められる外表面８を有する伸延端部４を含む物品２を選択する（１００）。この伸延端部４はさらに超合金組成と方向性配向した結晶組織１０を含むミクロ組織も有している。伸延部接合用表面６にマンドレル１２を取付ける（２００）（図２参照）。マンドレル１２は伸延端部４の断面形状と適合する断面形状と、伸延端部４の外表面８と連通する外表面１４とを有している。マンドレル１２の外表面１４と伸延端部４の外表面８の少なくとも一部とを覆ってセラミックモールド１６を形成する（３００）（図３参照）。モールド１６は、マンドレル１２によって定められ一体伸延部２０の形状を定めるようになっている形状をもつモールドキャビティー１８を有しており、さらにモールドキャビティー１８と連通する少なくともひとつのゲート手段２２を有している。マンドレル１２を取外す（４００）（図４参照）。物品２の伸延端部４を、物品の超合金組成と適合する合金組成を有する溶融材料２６の浴２４中に浸漬する（５００）。その結果、溶融材料２６がゲート手段２２を介してモールド１６中に入り伸延部接合用表面６と接触する。伸延部接合用表面６の一部が溶融材料２６により加熱されミクロ組織成長用種晶として相互作用するのに充分な時間伸延端部４を溶融材料２６と接触させて保持する（６００）（図５参照）。制御された熱的条件下、溶融材料と成長用種晶との界面２８において成長用種晶上で溶融材料２６が、モールドキャビティー１８の形状に合致すると共に伸延端部４のミクロ組織と適合性のミクロ組織を有する一体伸延部２０として凝固するような速度で、伸延端部４を溶融材料２６から抜出す（７００）（図６参照）。この制御された熱的条件は、温度が界面２８で最高であって物品２内で界面２８からの距離が増大するにつれて低下するように物品２内部の温度勾配を維持することからなる。
【００２０】
選択工程１００は伸延部を設けようとする物品２を選ぶことからなる。これには、新たに製造された、伸延部をもたない物品、または現存する伸延部に付加したりそれを変更・修正したりする必要がある物品を選択すること（１００）を包含し得る。また、タービンエンジンのような用途で使用された現存の伸延部を有する物品で、その現存する伸延部の修正、取替えまたは修復が必要な物品を選択することも包含され得る。本発明の物品２は多くの有用な形態を取り得るが、最も一般的にはある断面形状、伸延部接合用表面６および外表面８を有する一体伸延部を形成しようとする伸延端部４をもつものとして特徴付けることができる。ガスタービンエンジン部品のように多くの有用な態様の超合金物品２の場合、物品２は一般に長手方向の配向をもっており、たとえば図５、６および７に示されているように縦軸３０がある。長手方向の配向を有する物品２の場合、これらはさらに、図５と６に示されているようにベース端部３２、遷移部分３４および伸延端部４からなるものとして説明することができる。好ましい態様の場合物品２は翼からなり、たとえば図７と９に示したようなタービンブレード４２の形態のブレード部材である。タービンブレード４２はベースまたはルート４４、翼セクション４６およびブレードチップ４８からなっており、これらはそれぞれ図５と６においてベース端部３２、遷移部分３４および伸延端部４に対応している。ベース４４は多くの形態を取り得るが、一般にブレード４２をタービンの他の部分（たとえばディスクやブリスク）に取付けるための手段を含んでいる。ブレード４２がタービンディスクと共に使われるようになっている場合、そのような取付けのために通常シャンク４４Ａとダブテール部４４Ｂのような特徴を備えている。ベース４４はまた、翼セクション内部に定められる内部通路またはチャネル４４Ｃのような中空の内部と連通するための手段も含み得る。タービンブレード４２の翼セクション４６は良く知られており、一般に前縁４６Ｃと翼弦様に隔たる後縁４６Ｄとをつなぐ凹面圧力側壁４６Ａと凸面吸込側壁４６Ｂを含んでいる。そして、ブレードチップ４８がこれらの要素をブレードの外端で相互に連結している（図７および９参照）。翼セクション４６はまた、使用の際空気のような冷却用流体をベース４４から翼セクション４６に循環させる目的でベース４４内の内部通路４４Ｃと連通する部分的に中空の内部４６Ｅをもっていることが多い。この部分的に中空の内部は通常、通路または穴５０を介して翼セクション４６の外部と連通する蛇管またはラビリンス形状の冷却チャネル４６Ｆを含んでいる。冷却チャネル４６Ｆはまた、端部壁６２を貫通する複数の小さい通路７４または穴の形態で端部壁６２と連通していることが多い。通路７４はまた、物品４２の使用の際に空気のような冷却用流体流と共に使われる。ブレードチップ４８は翼セクション４６のベース４４から離れた端にある。図７、８および９を参照して、ブレードチップ４８は中実であってもよいし（図７）、または端部壁６２と周辺の伸延リム５８とからなっていてもよく、この場合リム５８は通常厚さが０．０２〜０．１５インチ程度であり、端部壁６２の外表面から０．０２〜０．２５インチ突出ている。ただし、この伸延部の厚さと長さは、ブレード４２の全体的な大きさ（ガスタービンの動翼は一般にジェットエンジンブレードよりずっと大きい）やエンジン内部のブレード４２の位置を始めとするいくつかのファクターに依存する。大きめの動翼は一般に小さめのブレードのリムより厚いリムをもっている。ブレードチップ４８は、すでに記載したように運転中に摩耗したり損傷したりすることが多い。したがって、本発明の方法は一般に伸延端部４を、あるいはタービンブレード４２の場合はブレードチップ４８を、中実の伸延部の形態であれ、周辺の伸延しているリムのみの伸延部であれ、一体伸延部２０を付加することによって修復するのに使用できる。
【００２１】
選択された物品２において伸延端部４はある断面形状をもっており、これは任意の有用な断面形状とすることができる。しかし、すでに記載したように、この断面形状は図７〜９に示した伸延端部４の透視図に例示されているタービンのブレードやベーンのような翼の断面形状であるのが好ましい。伸延端部４はまた伸延部接合用または成長用表面６も含んでいる。この表面は、本発明の方法を用いて一体伸延部２０を成長させる際の最初の面である。伸延部接合用表面６は、所要とされる伸延部の所望の形状と大きさに応じて任意の適切な形状または大きさとすることができ、たとえば平面状でも非平面でもよい。この方法は翼ブレード部材に一体伸延部２０を成長させる際に好ましいので、好ましい形状は一般に図７〜９に例示してあるようなブレードチップ４８のリム５８によって表わされる断面翼形状からなる。伸延端部４はまた、適切な任意の形状・大きさとすることができる外表面８も含んでいる。翼のブレード部材の場合、外表面８は翼表面５３に対応しており、この翼表面は前縁４６Ｃと翼弦様に隔たる後縁４６Ｄをつないでいる圧力側壁４６Ａと凸面吸込側壁４６Ｂによって表わされる曲線の一般に複雑な表面に対応する。
【００２２】
選択された物品２はさらに、超合金組成と方向性配向した結晶組織１０ももっている。本明細書で使用する「超合金」という用語は、５４０℃以上で使用するのに適しており、方向性配向した結晶組織を形成するように加工することができる任意の耐熱性合金と定義される。これには、周知のようにあるいは、たとえば、多くの鋳造可能な超合金、特に方向性凝固させたりまたは単結晶として形成したりすることができるＮｉ基超合金について記載している金属ハンドブック第１０版(Metals Handbook Tenth Edition) 、第１巻、特性および選択：鉄、鋼および高性能合金(Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys)、米国金属学会インターナショナル(ASM International) （１９９０年）第９８１〜９９４頁および第９９５〜１００６頁に記載されているように、Ｎｉ基、Ｆｅ基またはＣｏ基の超合金が包含される。このような超合金は現在ブレード部材用途で広く使用されている。しかし、許容可能な超合金にはまた、現在は超合金といわれておらず、ブレード部材用途で広く商業使用されていない高温合金、たとえばＮｂ基合金やＴｉ基合金（Ｎｂ−Ｔｉ合金やＴｉ−Ａｌ合金）およびＮｉ−Ａｌ合金も包含される。この意味で超合金には、固有（真性）にまたは外因的に形成された強化用媒体を含有する合金、たとえば、外因的に形成されたセラミック、中間相またはその他の繊維を含有する超合金の複合材（たとえば、アルミナ繊維を含有するＮｉ基合金）または固有に形成されたＮｂ−Ｓｉ中間相を含有するＮｂ基複合合金も包含され得る。
【００２３】
現存する伸延部を有する選択された物品、たとえば摩耗、酸化または損傷したタービンブレードの場合、物品２は場合によって、本発明の方法に従って新しい材料を付加するのを容易にするために伸延端部４またはブレードチップ４８の一部を除去してもよい。これは、図１で、伸延部４を溶融材料２６中に浸漬する（５００）前に伸延端部４の一部を除去する任意工程１５０として示されている。たとえば、本方法の後続工程で溶融材料との相互作用を強化するためにはタービンブレードチップのひどく酸化された部分を除去するのが望ましいであろう。伸延端部４がブレードチップ４８である場合、チップの残部をより均一な長さまたは断面にすることによって、たとえばチップが溶融材料中に挿入される際にタービンブレードチップの端部を平らな表面にし、したがってその上に伸延部を形成することになる材料を凝固させる表面をより均一にするためには、やはりブレードチップ４８の一部を除去するのが望ましいであろう。さらに、ブレードチップの端部が平らでない表面（たとえば、鋸歯パターン、階段状パターンまたはその他の平らでない表面）になり、そのためにその上に新しいチップを形成する材料が凝固する表面が不均一な表面になるようにして、タービンブレードチップのような現存の物品から材料を除去することもできよう。材料を除去するには任意の適切な方法、たとえば研磨、鋸引き、機械加工、エッチング、その他類似の材料除去法が使用できる。ただし、物品の端部の加熱中に新しい粒子組織の核生成を促進し得る機械的損傷は避ける。この工程は浸漬５００の前ならいつ行なってもよいが、機械的または物理的な除去法を使用しようとする場合はモールド１６に対する損傷を回避するためにマンドレル１２の取付け（２００）前に除去する（１５０）のが好ましい。
【００２４】
選択工程１００および任意の除去工程１５０の後、次の工程は伸延部接合用表面６にマンドレル１２を取付ける工程２００である。マンドレル１２は伸延部接合用表面６と適合する任意の材料からなり得る。適合性とは、取付け２００によって、特に伸延部接合用表面６の領域において、物品２の超合金との相互作用（すなわち、本方法の他の工程、特にミクロ組織成長用種晶としての伸延部接合用表面６の溶融材料２６中における相互作用に干渉するような相互作用）をマンドレル１２が起こすことのないようになっていなければならないことを意味している。また、適合性ということにより、マンドレル１２が伸延部接合用表面６に取付けることができる材料から形成されていることと、取付けに使用する手段が形成工程３００に耐えられるのに充分な耐久性をもっていることも要求される。マンドレル１２は純粋な金属、金属の合金、ポリマー、ワックスおよび塩のような材料からなり得る。取付け工程２００はあらかじめ形成したマンドレルを接着剤のような取付け手段を用いて取付けることからなってもよいし、あるいはあらかじめ形成したマンドレルの拡散接合のような接合工程からなってもよい。さらに、マンドレル１２として充分な材料を概略荒仕上形態で伸延部接合用表面６に付加した後、使用したマンドレル材料の除去に適した公知の材料除去手段を用いて概略荒仕上形態からマンドレル１２を形成してもよい。取付け工程２００の一例として、マンドレル１２がワックスである場合、そのワックスをあらかじめ形成しておき、伸延部接合用表面６に接合するのに充分な程度のワックスが軟化または融解するようにこの表面を暖めた後そのワックスマンドレル１２を伸延部接合用表面に押付けることだけで、伸延部接合用表面に接合することができる。取付け工程２００の別の一例として、マンドレル１２の材料が金属または合金からなる場合、公知の手段を用いてその材料を伸延部接合用表面６上に噴霧してマンドレル１２を形成するのに充分な概略荒仕上形態を作成することができる。その後公知の適切な材料除去手段を用いて概略荒仕上形態からマンドレル１２を形成することができる。マンドレルを形成するのに使用する材料は、本方法のセラミックモールドを形成する工程３００およびその他マンドレル１２を利用できる工程と適合する任意の材料でよい。マンドレル１２は、図７と９に示されているように伸延端部４の断面形状と適合する断面形状をもっている。通常適合性の断面形状は伸延端部の断面形状と同じでよい。物品２が翼である場合、マンドレル１２の断面形状は同じ大きさの翼形状であり得る。しかし、マンドレル１２は、形成工程３００中により大きいセラミックモールドが形成されるように、伸延端部４の形状とほぼ同じ形状であるがそれより大きい断面をもつのが望ましいであろう。マンドレル１２が大きめだとセラミックモールド１６も大きめとなり、したがって伸延部も大きめになるであろう。伸延部２０に対して材料除去または表面仕上げ加工を実施することが望ましいのであれば、このような大きめの形を使用してもよいであろう。逆に、マンドレル１２は、伸延端部４とほぼ同じ形状ではあるが、小さい伸延部が生成するように小さくすることができよう。伸延端部４と同じ断面サイズを維持しながら伸延部２０の外表面にコーティング層のような材料を付加することが望ましい場合には、このような小さい形も望ましいであろう。また、マンドレル１２は伸延端部４とほぼ同じ断面形状をもつのが好ましいが、適合性の任意の断面が利用でき、この断面形状の適合性はマンドレル１２の断面形状が伸延部２０に望ましい形態を生成するかどうかによって最終的に決定される。一例として、ブレードチップ４８用のマンドレルの場合、断面形状は中実のチップ４８（図７）のものかまたはリム５８（図９）のものであろう。またマンドレル１２は伸延端部４の外表面８と連通する外表面１４をもっている。この連通は外表面１４と外表面８が一緒になって連続またはほぼ連続の表面を形成するようなものであるが、あるいは上述のようにマンドレル１２が伸延端部４とは異なる断面形状または大きさをもつ場合にはこれら表面間に不連続があってもよい。これらのエレメント間に不連続が存在する場合、表面の異なる幾何学的特徴（たとえば、これらの表面を相互に連結または連絡する肩、ネックダウン領域その他の表面）にかかわらず、マンドレル１２の外表面１４は伸延端部４の他の表面８と連通している。またマンドレル１２は図２〜４に示すような長さ（Ｌ）をもっている。動翼やブレードのような伸延部を翼に形成するのに使用するマンドレルの場合、マンドレルの長さは通常約０．０２〜０．２５インチの範囲であり、これはブレード／動翼チップの一般的な長さの範囲に相当する。
【００２５】
マンドレル１２を取付けた（２００）後次の工程は、図２〜４に示されているようにマンドレル１２の外表面１４と伸延端部４の外表面８の少なくとも一部を覆ってセラミックモールド１６を形成する工程３００である。セラミックモールド１６はマンドレル１２および伸延端部４と適合する任意の方法で形成できる。セラミックモールド１６は、本明細書に記載したようにモールド１６を溶融材料２６中に挿入する際に伸延端部４からモールド１６が外れることのないように伸延端部４の充分な部分を覆って形成するべきである。公知の方法として、スラリーからセラミックモールドを形成する（３００）か、または熱噴霧成形がある。セラミックモールド１６はマンドレル１２と伸延端部４をスラリー中に浸漬し引出すことによって、またはスラリーをマンドレル１２と伸延端部４上に噴霧することによって、スラリーから形成できる。スラリーから形成したセラミックモールドは生の状態で存在し、モールドの密度と機械的強度を増大するためには浸漬工程４００の前にそのようなモールドを焼結する任意の工程２５０を含ませるのが好ましい。形成工程３００はまた、プラズマスプレイのような周知の方法を用いる熱噴霧成形からなってもよい。熱噴霧成形によって形成したモールドもまた焼結することができるが、通常このような材料はモールドとして使用するのに充分な機械的強度をもっているであろう。モールド１６を形成するのに使用できるセラミックとしてはアルミナ、ムライト、アルミナ／シリカ混合物、カルシアおよびジルコニアがある。セラミック材料の選択は、モールド１６と物品２の超合金および溶融材料２６との適合性を確保するように、特に溶融材料２６または伸延部２０の汚染を避けるようにして行なう。適合性を確保することは、浸漬工程４００、保持工程５００および引出し工程６００でモールドの充分な機械的強度を確保することに加えてこれらの各工程でセラミック材料と伸延端部との充分な接着を確保することでもあり、さらに他の適合性要件も含んでいる。モールド１６は、本明細書に記載したようにマンドレル１２によって定められそして最初に占められる形状をもつモールドキャビティー１８を有している。モールドキャビティー１８の形状は一体伸延部２０の形状を定める。モールド１６は、マンドレル１２の形状に応じ、また形成工程３００でセラミック材料をどのように適用するかに応じて、連続したひとつのピースとして存在してもよいし、または複数のピースとして存在してもよい。モールド１６はまた、モールドキャビティー１８と連通する少なくともひとつのゲート手段２２ももっている。ゲート手段２２により、溶融材料２６はモールド１６内に入り伸延部接合用表面６と接触することができる。ひとつの態様の場合ゲート手段２２は単に、モールド１６の一端にある、通常は図２〜４に示してあるように伸延端部４の断面形状と同じ形状を有する開口部であり得る。別の態様の場合ゲート手段２２は制限されたポートであり得、これは溶融材料２６がモールドキャビティー１８中に流入するのを制御または指向するのに役立ち、さまざまな鋳造技術で使用されているゲート手段に類似する。ゲート手段２２は形成工程３００中に形成することができ、たとえば、形成工程前に、形成工程中にそのような手段が生成するようにマンドレル１２を適応させる。たとえば、マンドレルが形成工程３００中にゲート手段２２を形成するような特徴を備えていることができようし、あるいはマンドレルにある部材を付加して形成工程中にゲート手段２２を設けることができよう。またゲート手段２２は、形成工程３００の一部として材料除去工程を含ませてマンドレル１２および伸延端部４にセラミック材料を適用した後にマンドレル中に通路を開けても、あるいはある部材を付加することによっても形成することができる。モールド１６はまた汚染物逃がし手段３６も含んでいるのが好ましい。汚染物逃がし手段３６は、浸漬工程５００、保持工程６００または引出し工程７００のいずれかでモールド１６内部に汚染物が蓄積されるのを防ぐようになっている。汚染物としては、捕捉されたガス、合金成分の酸化物またはセラミックモールド１６から剥がれた粒子があり得る。汚染物逃がし手段３６はまたモールド１６内部の溶融材料２６の流れを直接補助するようにもすることができる。汚染物逃がし手段３６は図４に示されているようにモールド１６が溶融材料２６で満たされる時にモールドから汚染物が除去され得るような単一の通路からなってもよいし、あるいはそのような特徴を複数もたせてもよい。そのような手段はゲート手段２２を形成するのに使用される方法と類似の方法で形成することができる。
セラミックモールド１６を形成したら次の工程はマンドレル１２を除去する工程４００である。適切な任意の除去方法を使用できる。このような方法には、たとえば、マンドレル１２を融解してその融解物をモールド１６から注ぎ出すこと、マンドレル１２を溶解またはエッチングすること、炭素質マンドレルの熱分解、および各種の機械的除去法が包含され得る。任意の焼結工程２５０を使用する場合、除去工程４００はマンドレル１２に使用した材料に応じて焼結工程２５０の前後または焼結中のいずれで行なってもよい。しかし、比較的融点の低い材料の場合、本発明者は焼結の前にマンドレル１２を除去するのが好ましいと考えている。
【００２６】
本発明方法の別の態様の場合、取付け工程２００、形成工程３００および除去工程４００はあらかじめ形成したセラミックモールド１６′を伸延端部４の外表面８の少なくとも一部を覆って取付けるひとつの工程で置き換えることができる。あらかじめ形成したモールド１６′は、図１１、１２、１３に示されているように伸延部接合用表面６を少なくとも部分的に包囲し一体伸延部２０の形状を定めるようになっているモールドキャビティー１８′をもっている。モールド１６′は充分に緻密で焼結されたセラミックであるのが好ましい。あらかじめ形成したセラミックモールド１６′に対する要件は本明細書に記載したその場で形成されるモールドの要件と本質的に同じであり、またそのようなモールド１６′は同じセラミック材料から作成することができる。あらかじめ形成したモールド１６′はまたモールドキャビティー１８′と連通する少なくともひとつのゲート手段も含む。このようなモールドはまた汚染物逃がし手段３６′のような特徴をもっていてもよい。モールド１６′は周知のセラミック形成法および装置を用いて形成できる。あらかじめ形成したモールド１６′を伸延端部４に取付けるには、取付けに適した任意の手段を使用できる。たとえば、締まりばめ、任意の数の機械的取付け用デバイス、セラミックバインダー、スラリー、セメントおよび類似の材料の使用、またはこれらの任意の組み合わせである。そのような取付け手段は周知である。
【００２７】
本発明の方法は、米国特許第５，２９１，９３７号および第５，３０４，０３９号に記載のような超合金伸延部を形成する関連技術の方法にはみられない、しかも従来の方法からは考えられない利点をもたらす特徴をもっている。たとえば、本発明のモールドの形成法では、所望の伸延部のいろいろな大きさや形状に合わせてモールドやダイを別途製造する必要がない。したがってこの方法は所望の伸延部の設計において容易に変更できるフレキシビリティーをもっている。また、本方法によれば、マンドレルの大きさと形状を調節し、そしてマンドレルを伸延部接合用表面に対してどのように位置づけるか調節することにより、モールドキャビティーしたがって伸延部を伸延部接合用表面に対し割出すことが可能である。さらに、伸延部を貫通してブレードのような中空物品の内部に連通する通路のような特徴をモールドが覆うようにモールドを形成することが可能であり、そのため伸延部の形成中に犠牲材料またはバリヤー材料を使用する必要性が回避される。加えて、本発明を使用すると、溶融材料がゲート手段を介してモールド中に入るのを制御することが可能であり、したがって溶融材料が伸延部接合用表面に導入される様子を制御し、そのためミクロ組織成長用種晶としての伸延部接合用表面と溶融材料との相互作用を制御する手段が得られる。また、本発明のモールドは場合によってモールド内、そして得られる伸延部内にガスその他の汚染物が蓄積されるのを回避する汚染物逃がし手段をもたせることができる。これは関連する従来技術の方法では述べられてない利点である。
【００２８】
再び図１、５および６を参照して、除去工程４００および任意の焼結工程２５０の次の工程は浸漬工程５００、保持工程６００（図５参照）および引出し工程７００（図６参照）である。浸漬工程５００は物品２の伸延端部４を、物品２の超合金組成と適合する合金組成を有する溶融材料２６の浴２４中に入れて、溶融材料２６をゲート手段２２を介してモールド１６に入れ伸延部接合用表面６と接触させることからなる。浸漬工程５００により、伸延端部４と溶融材料２６とが密に接触し、その結果公知の各種熱伝達機構が生じ、物品２、特に伸延端部４の温度が急激に上昇し出して溶融材料２６の温度に近付くようになる。浸漬工程５００を実施するには、物品２の伸延端部４を所望の深さまで溶融材料２６中に浸す。この所望の深さは数多くのファクターによって変わる。このようなファクターとしては、物品の種類、たとえばその大きさや合金組成、溶融材料２６の温度および伸延端部４の形状（たとえば、平らなものや段付き端部）がある。浸漬の最大深さは一般に、上記のようなファクターを考慮して、伸延端部４上に望まれるメルトバックの量によって決められる。浸漬工程５００は任意の所望の方法で、所望の深さまで段階的に、ほとんど瞬間的に浸すか、または下降速度をゆっくりと速くすることによって、あるいは上記の方法を任意に組み合わせるといった他の適切な浸漬法のいずれかによって実施できる。
【００２９】
溶融材料２６は物品の超合金組成と適合する合金組成をもっていなければならない。溶融材料２６を提供するには、抵抗加熱、誘導加熱、電子ビーム加熱、レーザー加熱、その他適切な方法のようなたくさんの公知方法のいずれかを使用すればよい。加熱はセラミックるつぼ、（図５および６に例示したような）水冷銅製るつぼまたは耐火るつぼのような任意の適切な装置で行なうことができる。このような加熱は空気中で行なってもよいが、ほとんどの超合金の場合アルゴンのような保護性の雰囲気中、または真空中で行なうのが好ましい。Ｎｉ基合金の溶融材料２６を調製するのに好ましい方法は、公知の誘導加熱手段１３と加熱用の水冷銅製るつぼ１５を使用し、図５および６に例示したように閉鎖チャンバー内のアルゴン雰囲気中で加熱することである。この装置は、セラミック製るつぼに由来するセラミックで溶融物が汚染される可能性が回避されるという利点をもっており、また大気成分（窒素や酸素）と溶融材料２６との反応も回避される。溶融材料２６の合金組成は物品の超合金組成と適合性であることだけが必要であり、本発明の方法の残りの工程によって以下に述べるように物品２上に一体伸延部２０が設けられる。本発明の意味からは一般に、適合性とは、物品と溶融材料から凝固した伸延部との間で結晶組織、冶金学的組織または両者に多少の連続性または類似性があることを意味している。適合性はまた、いずれの合金も合金元素の消耗、汚染、液体金属脆化、凝固界面２８における脆性相の形成、その他による悪影響を他に及ぼすことがないことを意味している。さらにまた適合性は、物品２と伸延部２０との間で機械的・物理的性質および冶金学的組織の不連続性に多少の制限があることも意味し得る。最終的に適合性は性能によって測定されなければならない。ひとつの合金の伸延部２０が別の合金の物品２上に繰り返し成長させることができる場合、伸延部２０を成長させた物品２が後の製造作業を受けられる場合、また伸延部２０をもつ物品２が完成したときに満足に使用できる場合、ふたつの合金は前記の一般論にかかわらず適合性である。本明細書で使用する「〜と適合する溶融材料」という言葉は、適合性に関して上記した標準条件に合う液体状態の材料または合金を意味するものとする。伸延部２０の結晶組織と冶金学的組織はいずれも物品２とは異なり得るのであるから、物品と伸延部の間に要求される適合性の程度に応じて、所与の物品２に対して広範囲の適合性溶融材料が可能である。いくつかの用途で、伸延部２０の結晶組織と冶金学的組織が物品２と近いのが望ましいような場合（たとえば、エピタキシャル成長が望ましい場合や伸延部２０もまた方向性配向した結晶組織をもっていなければならない場合）には、その範囲は一般に狭くなり、したがって溶融材料２６の合金組成は物品２と同じか極めて近いのが最も望ましいであろう。他の用途で、伸延部の結晶組織と冶金学的組織が物品と合わなくてもよい場合（たとえば、等軸結晶組織またはその他の非方向性配向結晶組織で充分な場合）には、可能な範囲は一般に広がり、溶融合金２６の合金組成は物品２とかなり異なることがあり得る。また、用途によっては、異なる要請に合わせて異なる性質をもたせるために物品の結晶組織および／または冶金学的組織とかなり異なる組織を作るのが望ましいことがある。たとえば、伸延部と比べて物品が低めのモジュラスと高まったクリープおよび疲れ耐性をもっているのが望ましいことがあり、伸延部の摩耗および酸化耐性がより高いのが望ましいこともある。図２および３にハッチングで示したように物品の超合金の組成は溶融材料から物品上に成長させた伸延部とは異なり得る。しかしながら、引用した特許に報告されているように、異なる合金組成を選択するには、その組成の違いに関係なく伸延部の結晶組織が物品の結晶組織と一体となってそれから連続して成長するようにしなければならない。この成長モードはエピタキシャル成長といわれることがある。本発明の意味においてはこれもまた、一般的に、物品２の合金と伸延部２０の合金との高度の適合性を説明するであろう。また、ある物品の結晶組織もしくは冶金学的組織または両方がベース端部と伸延端部４では変化し得ることが認められ、本明細書で物品と伸延部の間の適合性に言及するときは主として伸延部２０と物品２の伸延端部８との適合性をいうものとする。
【００３０】
伸延端部の一部が溶融材料によって加熱されミクロ組織成長用種晶として溶融材料と相互作用するのに充分な時間保持する工程６００は重要であり、本発明の方法の中で極めて変化し得る工程である。というのは、相互作用の量および伸延端部が成長用種晶として機能する度合いまたは程度は本明細書に記載するように本方法に従って大きく変わり得るからである。材料、装置およびプロセス条件の組み合わせによって保持工程６００として充分な時間は場合により、たとえば比較的少ない量の物品２と溶融材料２６との相互作用が、物品２のミクロ組織と適合するミクロ組織を有する連続な一体伸延部２０が生成するのに必要で、かつ意図した用途の要請を満足するのに充分な場合、ほとんどゼロになることがある。エピタキシャル伸延部２０の成長のようにより大量の相互作用が望ましい用途の場合、ほとんどの物品と溶融材料の組み合わせに対して平衡に達するのに充分な時間はより長く、恐らくは３０分程度になることが分かる。より長い時間がかかると期待される用途の場合、物品２と溶融材料２６に関する公知のまたは測定した熱伝達情報を用いて伸延端部４の所望の部分をメルトバックさせるのに必要な時間を計算することによって必要な時間を評価することができる。保持工程６００に充分な時間であるかどうかは、浸漬工程５００に使用する方法とこの工程に使用される時間によっても影響を受ける。
【００３１】
浸漬工程５００、保持工程６００または両者において物品と溶融材料との相互作用を高めて制御する手段を利用すること、たとえば本明細書に記載したように補助的な加熱、冷却または両者を使用することが望ましい場合がある。加えて、溶融材料中で掻き混ぜその他の撹拌またはたとえば超音波撹拌による物品の掻き混ぜのような公知の他の手段を提供するのが望ましいこともある。
【００３２】
引出し工程７００は、伸延部２０が形成される、または伸延部２０が伸延端部４上で成長する工程である。図５と６を参照して、引出し工程７００は、溶融材料２６が成長用種晶と溶融材料の界面２８において、物品２の方向性配向したミクロ組織１０と適合するミクロ組織２９を有する一体伸延部２０として成長用種晶上で凝固するような速度で伸延端部４を溶融材料２６から取出すことからなる。これにより、引出し工程７００中に、物品２は、その温度が界面２８とベース端部との間で低下するような温度勾配をもつ。引出し７００は、以下に詳しく述べるように伸延部２０の所望のミクロ組織特性が生成するような速度（一定または可変）で実施することができる。引出し７００の速度は物品２上における溶融材料２６の凝固特性に依存し、また両者の合金組成、溶融材料２６の温度、物品２内部の温度勾配、界面２８の温度、その他のファクターに依存する。界面２８で一体伸延部２０が形成されると、伸延部の凝固・冷却中に起こり得る収縮効果とモールドキャビティーからの脱離を除いて、伸延部は一般にモールドキャビティー１８の形状をとる。
【００３３】
浸漬工程５００、保持工程６００および引出し工程７００は同じ装置を用いて行なうのが好ましい。これらの工程は、たくさんある周知の浸漬、保持および引出し手段のいずれかを使用して行なうことができる。適切な浸漬、保持および引出し手段は、典型的には、物品２を保持または把持する手段（図示せず）、保持手段に連絡している、物品２を溶融材料２６中に浸漬し、また溶融材料から引出すための駆動手段（図示せず）、およびこれらの工程中駆動手段の動きを制御するための手段（図示せず）からなっている。物品２は、公知の把持治具またはクランプ機構のように物品を把持するのに適した任意の手段を用いて保持できる。浸漬５００、保持６００および引出し７００は、クゾクラルスキー(Czochralski) またはブリッジマン(Bridgman)の凝固プロセスを実施するのに使用するもののように結晶引出しの分野で公知のものに似た自動化されたプログラム可能なコンピューター制御駆動手段を用いて行なうのが好ましい。また、溶融材料を収容するのに使用する装置は制御されない機械的振動から可能な限り隔離させるのが望ましい。さらにまた、制御手段も、物品内部の温度勾配、溶融浴の温度、物品／浴界面の温度、その他のファクターのような他の計算されたまたは測定されたファクターを基にして駆動手段の動きを調節（固定または可変）するように適応させることも望ましいであろう。浸漬工程５００と引出し工程７００では物品２と溶融材料２６との相対運動が必要である。この方法の目的からは、物品２、溶融材料２６または両方を動かしてこの相対運動を達成することができるが、本発明者は一般に物品２を動かして溶融材料２６を固定・保持するのが好ましいと考えている。
【００３４】
本発明の方法のひとつの態様を実施して得られる可能な結果の一例を図７および８に示したタイプの翼セクション４６について伸延部を５６として示す。伸延部５６は破線５２から伸延しているが、この破線５２は最初のブレードチップ４８の内部の界面２８を意味しており、新しいブレードチップ４８を構成する伸延部５６はこの破線５２から成長したものであり、これらの工程中に起こるメルトバックを表わしている。図８の部分説明図で分かるように、ブレードチップ４８を成長用種晶として使用すると、適合性のミクロ組織を有する中実の伸延部５６が得られる。この例においてミクロ組織は元来のブレードチップ４８の粒子と連続しており一体となっている多数の細長い粒子を含んでいる。
【００３５】
ガスタービンエンジンの空冷ブレードのチップ部分の別の形態を図９の断片図および図９の７−７線に沿ってとった図１０の断面図に示す。このタイプのチップは「スキーラーチップ」といわれることがある。というのは、ある種の運転条件ではクリアランスゼロの状態に近付けるために対向する部材と干渉したり擦れ合ったりすることがあるからである。そのような干渉の結果ブレードチップ４８の周辺リム５８は摩耗したり損傷したりすることがある。そのような摩擦状態がなくても、運転中に浮遊粒子や酸化物と摩擦を生じ、リム５８の損傷に至ることがある。本発明の方法は、前記のようにして伸延部を設けることによってこのような損傷を修復するのに使用することもできる。ただし、この場合の伸延部５６（または、本方法のより一般的な説明を考察するときは伸延部２０）は中実の伸延部５６ではなく、ブレードチップ４８の周辺リム５８を含む部分の伸延部のみであり得る点が異なっている。リム５８上にのみ伸延部を形成するためには溶融材料と端部壁６２との接触を回避するべきである。
【００３６】
リム５８が狭い場合、または損傷が端部壁６２の近くに伸びている場合、端部壁６２に対する損傷を回避するためにリム５８と溶融材料２６との相互作用は限定し注意深く制御するべきである。特に、端部壁６２が、本明細書に記載したように部分的に中空の内部と連通しているチャンネル７４または穴のような特徴を含んでいる場合には注意するべきである。本発明の方法のひとつの態様は、図１０〜１３に示したようにそのような特徴を覆い保護するようにモールド１６を形成するものである。図１０でリム５８の縁または表面６６が浸食され、損傷を受けており、修復が必要な部分を表わしている。
【００３７】
図１１〜１３の断面説明図は本発明の方法を実施する際の一連の手順を示しており、図１０に示したような中空の内部を有するブレード４２の修復を例示している。たとえば、このような内部は流体で冷却されるタービンブレードまたはベーン４２内の蛇管またはラビリンス通路７０とすることができる。便宜上参照番号のいくつかはすでに使用したものと同じである。図１１は、溶融材料２６と接触しており、破線６６で示した元のリム縁から部分的にメルトバックされたリム５８を示している。図１２では、メルトバックが更にリム５８中に継続して６８の線までメルトバックして、リム５８の残存部が溶融材料２６の凝固用の成長用種晶として機能するのに充分となっている。次いで溶融材料２６と接触させたまま、図１３の矢印５４で示したようにブレード４２を上方に動かし、前述したように界面２８における連続した凝固による溶融線６８からの凝固によって、破線７２の下のセクションの部分で構成される伸延部５６がリム５８上で成長するまで引出す。ブレード伸延部５６がある部分で中実であり、本明細書に記載し図９〜１３に例示したように中空の内部と連通できるように追加の穴が望まれる場合、そのような穴は公知の方法を用いて形成できる。たとえば、そのような穴は材料除去分野で周知であり広く使われているレーザー法、電気化学法または放電法による穿孔によって形成することができる。本発明の方法においては、溶融材料の融点が成長用種晶として機能する物品端部の融点より低い場合、溶融材料と成長用種晶との相互作用には成長用種晶である物品端部の完全な融解は必要でないと考えられる。必要なことは、界面を横切って溶融材料中に続く結晶組織の成長が可能となる条件が界面に存在することである。
【００３８】
ここで再び図１、５および６を参照する。浸漬工程５００、保持工程６００および伸延端部４を溶融材料２６から引出す工程７００により、界面２８とベース端部との間の勾配とみることができる温度勾配が物品２内部に確立される。ここで、物品２内部の所与の位置における温度は界面２８からベース端部に向かって低下する。所与の物品２内部の温度勾配は溶融材料２６の温度、物品２の熱伝導率、物品２内の通路を含めた形状、物品２の引出し速度、ならびにこの方法を実施するのに使用する装置の構成およびこれらの工程中に物品２に適用されることがある外部加熱または冷却源の存在を含む他のファクターの関数である。超合金のような溶融材料の凝固分野で周知のように、凝固が行なわれている界面の熱勾配は得られる物品のミクロ組織に影響する。超合金の場合、１０℃／ｃｍ程度の比較的小さい熱勾配で、一方向でない熱の流れを生じる摂動のために方向性配向が少なくなり、等軸粒子組織が多くなる傾向がある。たとえば２５〜１５０℃／ｃｍのようにより急な熱勾配では、界面２８における溶融材料２６の樹枝状凝固を促進する条件が界面で生じる傾向がある。物品２内部、特に伸延端部および界面２８の付近での温度勾配も、一次および二次の樹枝状結晶の空間配置を始めとする樹枝状成長の性質に影響する。界面２８における温度勾配の制御は、伸延部内部に多結晶方向性凝固であれ単結晶成長であれ特定の方向性形態と配向を生成させることが望まれる場合、特に重要である。本発明の方法はまた、物品２内部の温度勾配を変更する任意の工程を使用することも包含し得る。これらの工程としては、物品の伸延端部の外部（溶融材料２６からの伝導以外の）加熱手段による加熱工程８００、外部冷却用手段を用いる物品から熱を除去する工程９００、または外部加熱手段によって物品の伸延端部を加熱すると同時に伸延端部以外の位置で外部冷却手段によって物品を冷却する工程１０００が含まれ得る。これらの任意工程は本明細書に記載した浸漬工程５００、保持工程６００および引出工程７００のいずれかまたはすべてと共に使用できる。外部加熱手段は周知であり、たとえば物品の伸延端部が加熱されるように配置した別の誘導コイルを使用する。外部冷却手段も凝固分野で周知であり、たとえば水冷チルのようなチル、金属チルプレートまたは他の手段を使用する。このような冷却手段は一般に物品２のベース端部３２または遷移部分３４に取付けられるが、チルは、物品の伸延端部に加熱手段を利用しない状況下では伸延端部に取付けてもよい。これらの工程を使用すると界面と物品内部の両方で温度勾配を制御できる。
【００３９】
物品２の形状と本方法の工程の組合わせによっては、前記工程と組合わせて任意の材料除去および／または加熱もしくは冷却工程を反復することに加えて、同じ溶融材料または異なる合金組成を用いて、物品２の浸漬５００、保持６００および引出し工程７００を繰返すのが望ましいことがある。
再び図５と６を参照すると、この方法を用いて形成された伸延部の表面は通常仕上がっていない形態にあり、したがって最終的に仕上がった伸延部を生成するためには、追加の材料除去工程、表面仕上げ加工または塗布工程、たとえば研削、機械加工、研磨もしくはその他の材料除去工程および／または表面仕上げ工程、またはセラミックコーティングの噴霧成形を使用する必要があることが多いことも、溶融材料から凝固させる分野の当業者には分かるであろう。
【００４０】
【実施例の記載】
実施例１
本発明の方法に従って伸延部を形成するための物品として、不純物を除きＮｉ−１３．７Ａｌ−７．９Ｃｒ−１２．３Ｃｏ−２．１Ｔａ−０．１Ｂ−０．９Ｍｏ−１．６Ｗ−０．９Ｒｅ−０．６Ｃ−０．５Ｈｆの組成（原子％）の合金から作成したタービンブレードの形態で現存するブレード部材を使用した。この評価においては、本明細書に記載したようにタービンブレードの翼セクションに伸延部を付加して図５〜１３に示したようなチップの修復をシミュレートすることが望まれた。この鋳造ブレードのミクロ組織は、図７に例示したものと配向が類似する複数の方向性凝固した粒子からなっていた。溶融材料として使用した材料はブレードとほぼ同じ合金化学を有していた。このＮｉ基超合金原料を水冷銅製るつぼに入れ、このるつぼを、アルゴンガスで充填されるようになっているチャンバー内に置いた。このチャンバーをアルゴンで満たし、るつぼ中で合金を融解させた。誘導加熱手段を用いて超合金原料をるつぼ内で融解させ、１４００℃の温度に加熱した。物品が溶接されているボルトからなる保持手段内に物品を配置し、次にこれを物品の浸漬、保持および引出し用にディジタルエンコーダーを有するネジ付き駆動ロッドからなる駆動手段に取付けた。この駆動手段はその動きを制御する手段と連結していた。この制御手段はコンピューターベースのコントローラーからなっており、物品を溶融材料中に挿入する深さ、その保持時間および引出し速度を制御するようになっていた。次にこのブレードを下げて溶融材料中に約１〜５ｍｍの深さまで入れ、５分間保持した。この間にブレードは挿入された部分をメルトバックすることによって溶融物と相互作用した。さらにその後、このブレードは、超合金溶融体から伸延部が凝固する際の配向した成長用種晶として機能した。次にこのブレードを約１０ｍｍ／分の速度で上方に動かすことによって溶融体から引出した。約６ｍｍ／分の伸延部が凝固するまで引出しと方向性凝固を続けた。これにより、ブレードと同じ多結晶の方向性凝固した結晶組織を有する伸延部を凝固させることができた。この伸延部は物品の伸延端部と連続しており、一体となっていた。
【００４１】
本発明を実施して得られた物品はベースと、外部断面を有する部分的に中空の翼セクションを含んでいた。これは、単に端部壁をもっていなかったという理由から、本明細書に記載したタイプのブレードチップを含んでいなかった。しかしながら、その形状は翼セクションの壁が約６ｍｍという厚さをもっているようなものであり、これは本明細書に記載した端部壁を有する典型的なタービンブレードの周辺リムに極めてよく似ている。したがって、この実施例は典型的なタービンブレードチップのミクロ組織および幾何形状にたいへん近いし、そのようなチップの成長または修復用に本発明方法を実証するのに役立つ。使用した物品は、複数の方向性配向した細長い粒子からなる翼セクションの第一の結晶組織と、物品の合金組成に基づく第一の冶金学的組織をもっていた。翼セクションと一体かつ連続する伸延部は、翼セクションの第一の結晶組織と連続かつ適合する第二の結晶組織をもっており、また、第一の冶金学的組織と連続かつ適合しているが、元の物品およびこの新しいブレード端部を成長させるのに用いた熱勾配が異なる結果生じた多少異なる樹枝状晶の枝間隔に起因していくらか区別し得る第二の冶金学的組織ももっていた。この実施例ではセラミックモールドを使用しなかったが、この実施例に記載した凝固プロセスはセラミックモールドを使用したときに起こる凝固プロセスの例示である。このセラミックモールドは凝固した伸延部の形状を定める。
【００４２】
翼セクションと伸延部との間の界面部分は、別々に製造されて整合された別個の部材を互いに拡散接合させるような関連技術分野の方法で報告されているものとは違っている。ブレードチップの連続鋳造について記載している関連技術分野の引用特許に記載されている界面といくつかの点では類似であった。しかし、本発明の方法では、溶融材料に流体圧をかける必要がまったくない。本発明と関連技術の多くとの主たる違いは界面にある。本実施例においては、物品の表面上で伸延部として選択した溶融材料から原子層を次々と積み重ねることによって、伸延部をエピタキシャル成長させることができる。すなわち、伸延部の粒子は物品との界面をわたして物品の粒子と連続であり得る。さらに、本発明の方法によると、二次粒子（樹枝状晶）配向を横方向で合致させるのが困難な従来技術の界面接合技術とは違って、そのような二次粒子配向を成長させることができる。一次方向のみならず二次方向でも物品のもともとの冶金学的粒子組織または配向と合致するエピタキシャル成長した領域または修復された区域を形成できる。界面と修復された区域で等軸の粒子を有する最も関連した修復法より優れた利点は、機械的性質と冶金学的性質の点で重要である。というのは、最も関連した技術の方法を使用すると、元の物品の冶金学的粒子組織は伸延部または修復された区域と合致しないからである。本体と伸延部に対して異なる合金を選択した場合でも、凝固した組織に隣接する液体中で原子種が急速に混合される結果、界面領域の冶金学的組織には一般に段階的な変化が生ずることが分かる。最も関連した技術の方法を注意深く実施したとしても、本体とこれとは別の伸延部との間で局部的な表面の不規則さと小さな不整合が生じる可能性が高く、その結果これらふたつの部分間にある種の低角の粒界が生じ得る。同様に、いずれかの部分の汚染物質が界面に捕捉されるようになり、そのため接合部が弱くなる可能性が高い。さらに、そのような物品を修復するための関連技術の実施では通常、しかも不利益なことに溶融金属が通路の中に流入して凝固するのでその通路を塞いでしまう。そうなると、その通路を再度開くために追加の機械加工作業が必要となる。
【００４３】
前記の実施例では、元の翼と似た断面をもつ翼ブレードチップの修復に必要とされるタイプの伸延部の制御された成長が達成され得ることを立証した。この実施例は伸延部をひとつだけ含むものであったが、本発明は多数のタービンブレードチップのように多数の伸延部を同時に成長させる場合にも拡げることができるものと理解されたい。また本発明は翼ベーンのような通路を有する他の方向性配向した物品の修復にも使用できる。
【００４４】
引用した特許でも指摘されているように、伸延部の結晶組織は現存する物品の結晶組織と実質的に同じであるべきであるが、伸延部と現存物品の間で冶金学的組織、特に合金組成はかなりな変化が許容され、場合によってはむしろ好ましいことがあることが予想外にも発見された。この結果もまた本発明の方法に利用できる。
【００４５】
本発明の方法は、翼のような物品に伸延部を設けるための関連方法と比べて、いくつかの点で予期されない利点を有している。溶接された伸延部はこれら伸延部を形成するのに使われる溶接プロセスの使用を容易にする組成、融解特性、流れ特性および潜在的なその他の性質をもっていなければならず、したがってこれら伸延部を付加しようとする物品の組成と異なる組成をもっていることが多い。また、溶接された伸延部は通常それらを形成するのに用いる溶接プロセスの性質に起因して等軸のミクロ組織をもっており、したがって本発明の方法では可能である方向性配向したミクロ組織を形成しない。拡散接合またはその他の接合された伸延部は本明細書に記載したようにボイドおよび／または低角粒界のような欠陥を含むことが多い界面をもっていることが知られている。したがって、この伸延部と物品との界面はある種の用途で望まれるより弱いことがある。同様に本明細書で言及した伸延部を鋳造する関連方法ではセラミックダイ、ダイ伸延部およびそれらが形成される溶融浴を加圧するための手段といった追加のデバイスを使用する必要がある別の成形法を利用するが、本発明の方法を利用する場合には必要とされない。本明細書に記載した望ましいミクロ組織特徴を有する伸延部がそのような追加のデバイスを使用しないで形成でき、それによりこのような伸延部を形成するコストが低下し、またそのようなデバイスによる汚染の可能性が回避されるという事実は、伸延部を鋳造するこれら関連技術の方法と比べて重大かつ予想外の利点である。
【００４６】
以上の態様は本発明を例示する目的で開示したものであり、本発明の可能な変形をすべて示したつもりはない。開示した態様の変形および修正は当業者には明らかである。そのような変形・修正はすべて特許請求の範囲に包含されるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を例示する流れ図である。
【図２】本発明の方法に従ってマンドレルを取付ける工程を示す断面図である。
【図３】本発明の方法に従ってセラミックモールドを形成する工程を示す断面図である。
【図４】本発明の方法に従ってマンドレルを取外す工程を示す断面図である。
【図５】本発明に従って溶融超合金材料浴中に物品を保持する工程を示す、本発明の方法を実施するのに適した装置の断面図である。
【図６】本発明に従って溶融超合金から物品を引出す工程を示す、図５の装置の断面図である。
【図７】伸延端部すなわちブレードチップを含むタービンエンジン用タービンブレードの一部を切欠いた図である。
【図８】複数の細長い粒子を含めて本発明の方法に従って形成された伸延部と共に示す修復された翼の部分説明図である。
【図９】空冷タービンブレードの一例のブレードチップ部分の部分説明図である。
【図１０】図９のブレードチップの７−７線に沿って取った一部断面図である。
【図１１】一部中空の物品に関する本発明の方法の工程の一態様を例示する説明断面図である。
【図１２】一部中空の物品に関する本発明の方法の工程の一態様を例示する説明断面図である。
【図１３】一部中空の物品に関する本発明の方法の工程の一態様を例示する説明断面図である。
【符号の説明】
２物品、
４伸延端部、
６伸延部接合または成長用表面、
８外表面、
１０方向性配向した結晶組織、
１２マンドレル、
１４外表面、
１６セラミックモールド、
１８モールドキャビティー、
２０一体伸延部、
２２ゲート手段、
２４浴、
２６溶融材料、
２８界面、
３０縦軸、
３６汚染物逃がし手段、
４２タービンブレード、
４４ベースまたはルート、
４６翼セクション、
４８ブレードチップ。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention generally relates to a method of providing an integral extension at one end of an article. In particular, the present invention is a method of providing an extended portion having a compatible alloy composition at one end of an article having a directionally oriented microstructure and a superalloy composition, and more specifically, the extended portion is formed by such a method. The invention relates to a method of using one end of an article as a seed crystal for growth to directionally solidify an extension directly from a molten alloy using a ceramic mold to be formed. This method can be used to repair blade blade components such as turbine blades / blades and vanes / nozzles and tips of non-blade articles such as turbine shrouds and combustor shingles. .
[0002]
[Prior art]
Already reported techniques for growing directionally oriented cast structures from superalloys are from Ni-based superalloys used in gas turbine engine hot sections from processes suitable for creating simple shapes and components. It has evolved into processes currently used to form articles having complex shapes such as directional solidification of made blade members. Published literature, for example, Metals Handbook Ninth Edition, Volume 15, Casting, American International Society for Metals (ASM International) (1988) pp. 319-323, There are many examples of manufacturing processes for directionally oriented superalloy blade members such as blades and vanes. Most of these processes utilize some form of pull-out type vacuum induction casting furnace with mold susceptor heating.
[0003]
In casting techniques to produce directionally oriented superalloys, fluid pressure (eg, inert gas or air) is applied to a material (eg, metal) that is molten in a closed vessel and the molten material is passed through a tube. Push up. A patent that discloses an example of such a method and apparatus used therein is U.S. Pat. No. 3,302,252, which relates to a method of continuously casting an article upward through a casting tube to a cooled mold. The cast article is continuously withdrawn from the mold.
[0004]
Another area of casting technology is sometimes referred to as the EFG (Edge-defined, Film-fed Growth) process. In this process, no external pressure is applied to the liquid material, but a narrow shaped tube or capillary action inside the die is used to draw the liquid material upward for solidification. Often seed crystals are introduced into the liquid to initiate crystal growth. Typical patents disclosing the characteristics of this process include U.S. Pat. Nos. 3,471,266, 4,120,742, and 4,937,053.
[0005]
In some of the patents cited above, and somewhere in the casting technique for the formation of directionally oriented articles or single crystal articles, seed crystals having a selected crystal orientation (primary orientation and / or secondary orientation) are produced. in use. These constitute a means for initiating solidification of an article having the desired crystal orientation. In forming the blade member, a seed crystal is used in combination with a casting form such as a ceramic mold in order to determine the shape and crystal orientation of the member.
[0006]
Traditionally, separately cast components having a selected crystal orientation have been used to connect parts made of single crystal articles or directional solidified elongated (crystal) particle articles (eg, turbomachine blades). . Such members are assembled and joined across the interface between the members into a single article. U.S. Pat. Nos. 3,967,355 and 4,033,792 are representative patents for this type of joining, and the latter U.S. Pat. No. 4,033,792 describes the crystal structure on both sides of the joining surface. It is described that it is desirable to match.
[0007]
By using the above casting technique, a directionally oriented article such as a blade member can be formed as a single crystal or with a directionally solidified crystal structure composed of a plurality of columnar particles. Both single crystal and directionally solidified articles can be formed in a preferred crystal orientation, and such orientation can be formed within a part to provide physical and mechanical properties associated with anisotropic orientation. It may be generated along a certain direction in the part. The crystal orientation desired in nickel-base superalloys often used in turbine engine parts such as blade members is such that the <001> crystal direction is the longitudinal direction of the member so that the modulus of elasticity along the length of the member is minimized. It is parallel to the axis. This orientation is known to provide well-balanced creep strength, ductility and thermal fatigue resistance of these parts. That is, the member described in this specification is formed such that the <001> direction is the growth direction and corresponds to the longitudinal axis of the member.
[0008]
An example of a blade member having a complicated shape as described above is a turbomachine blade described in US Pat. No. 4,010,531. Such blade members include an airfoil outer wall having a complex hollow interior that communicates with the end region such that a cooling gas may circulate from the hollow interior through the outer wall and the end region. It can be done. This end region includes a tip extending from the end of the member.
[0009]
Wing blade components and other gas turbine engine components are used in various environmental damage and wear mechanisms (eg, erosion due to impacts from high-speed and / or high-temperature suspended particles, high-temperature oxidative and / or corrosive gases). Often used in harsh environments exposed to low cycle fatigue processes and mechanical wear caused by friction with other components. These mechanisms are known to cause cracks and other damage, particularly in the edge region or tip of the blade member. Since the manufacturing cost of a blade member is usually quite high, it is often desirable to repair rather than replace the member after its tip is damaged or worn. If a superalloy blade member or other superalloy article with a directionally oriented microstructure is damaged in its tip or extended end region, whether in operation or in production, the entire part The problem of repair becomes more complicated and difficult because there is a need to maintain the physical and mechanical properties in the repaired part so as not to degrade the performance. If a directionally oriented microstructure must be maintained in the repaired part as often desired in a directionally oriented article such as a wing, the first material in the material used to create the repaired part This repair problem is particularly severe because of the difficulty in replicating the directional orientation.
[0010]
One method used to repair turbine blade tips is to add material to the damaged or worn portions of the tip by welding or similar processes. The disadvantage of this method is that the microstructure of the weld is not directionally oriented, and therefore the mechanical properties of the tip or extension are reduced compared to the rest of the directionally oriented microstructure of the article. is there. It is also known that the most commonly used oxidation resistant material is difficult to weld and cracks during the welding process.
[0011]
Another method is to add a separately formed tip to the end of the wing by brazing, welding, diffusion bonding or other similar bonding process. This method is described, for example, in U.S. Pat. Nos. 3,967,355, 4,010,531, and 4,033,792. Using such a method, a crystal structure similar to that of the rest of the wing is formed in the tip, and a microstructure that is compatible with the microstructure of both the tip and the rest of the wing is created at the joint. Sometimes desirable.
[0012]
U.S. Pat. Nos. 5,291,937 and 5,304,039, both of which are assigned to the assignee of the present invention and are hereby incorporated by reference. Two methods for providing an extension at the end of a directionally solidified article such as a blade member are described. Both of these methods utilize both a die and a die extension made of a ceramic material. In these methods, fluid pressure is applied to put the molten material into the die extension, and then the end of the article where the extension is to be formed is put into the die opening and the die extension to contact the molten material. After the article end has been in contact with the molten material for a period of time sufficient for the end of the article to interact with the molten material, the article is loaded at a rate that allows directional solidification of the extension of the article end. Pull out through the die opening. It has been described how to use these methods to repair blade members, particularly their end regions and distracted tips.
[0013]
However, other methods of providing an extension at the end of a directionally solidified article such as a blade member, particularly the devices described in the cited patents, such as ceramic dies and die extensions, as well as placing molten material into the die. It would be desirable to develop a method that does not require a means for applying fluid pressure to the fluid.
[0014]
SUMMARY OF THE INVENTION
The present invention relates to the melting of a superalloy article having a directionally oriented microstructure, such as a blade member or other gas turbine engine component, or an alloy material, preferably a superalloy material, compatible with the ends of other superalloy articles. It relates to a method of providing an extension part directly from a bath. The article may also have an internal passage that communicates through the end of the article to which the extension is to be added. The extension formed by the method of the present invention may be composed of a microstructure of equiaxed particles, a directionally oriented crystal structure including a plurality of particles, or a single crystal. The present method can also be used to epitaxially grow the extension so that the directionally oriented crystalline structure of the article is continuous in the extension. To create a distraction formed by this method, a directional oriented superalloy article is immersed in a compatible alloy molten bath and then drawn (pulled) under controlled conditions. Solidify the part. The method also uses a ceramic mold that partially serves to control the shape of the distractions in the immersed part of the article.
[0015]
In one embodiment, the present invention can be briefly and broadly defined as a method of providing an integral extension on an article. This method has a cross-sectional shape, a surface for joining a distraction portion, and an outer surface defined by the cross-sectional shape, and also has a microstructure comprising a superalloy composition and a directionally oriented crystal structure. A mandrel having a cross-sectional shape matching the cross-sectional shape of the distraction end and an outer surface communicating with the outer surface of the distraction end is attached to the surface for joining the distraction portion. A mold cavity having a shape defined by the mandrel and configured to define the shape of the integral extension, covering at least a portion of the outer surface and the outer surface of the distraction end; and the mold cavity Forming a ceramic mold having at least one gate means in communication with the mandrel, and conforming to the superalloy composition of the article Immersing the extended end of the article in a bath of molten material having an alloy composition such that the molten material enters the mold through the gate means and contacts the surface for bonding the extended portion; The extension end is in contact with the molten material for a sufficient amount of time so that a portion of the surface for bonding the extension is heated by the molten material and can interact with the molten material as a seed for microstructural growth. Controlled to maintain a temperature gradient in the article so that the temperature is highest at the interface between the molten material and the seed crystal for growth and decreases in the article as the distance from this interface increases. Under the different thermal conditions, the molten material is agglomerated on the growth seed crystal at the interface as an integral extension having a microstructure that matches the shape of the mold cavity and that of the extension end. The speed in the molten material that consists to draw the distraction end.
[0016]
In the second embodiment, a pre-formed ceramic mold can be used instead of forming the ceramic mold in situ, which eliminates the need to attach and remove the mandrel.
By controlling the temperature gradient during solidification of the distraction part, the microstructure of the distraction part obtained can be controlled, for example, a microstructure composed of a plurality of directionally solidified particles or a single crystal microstructure can be formed. . To further control the temperature gradient during solidification in the method of the present invention, an additional step of heating and / or cooling the article during distraction growth may be used.
[0017]
Detailed Disclosure of the Invention
The present invention relates to a novel method in which an extension can be grown directly on one end of a directionally oriented superalloy article by solidification from a molten bath of superalloy material. This method also utilizes a ceramic mold that helps to form the shape of the distraction. By using the article itself as a seed crystal or means for initiating growth, the method is compatible with the crystal structure and overall microstructure of the article and is distracted with a continuous crystal structure and overall microstructure. It can be used to provide an extension having a microstructure that is usually indistinguishable from the metallurgical structure of the original article from which the extension is grown. The method can be used to create a new distraction on such an article, repair or replace an existing distraction. While the method of the present invention may be useful for a wide range of articles, it has a hollow interior and an opening or passage that communicates with the hollow interior through the end where the extension is to be formed. It is particularly useful for providing an extension on an article having That is, this method is particularly useful for forming and repairing tips of blade blade members such as turbine blades.
[0018]
As used herein, the term “crystal structure” is intended to mean the overall form of the crystal, such as a single crystal, a number of elongated (crystal) particles and other crystal forms, and their orientation. The terms “directionally oriented”, “directionally oriented” or similar terms refer to a strongly oriented crystalline structure, such as a directionally solidified polycrystalline structure containing a plurality of elongated particles, and a single crystal. As used herein, the term “metallurgical structure” refers to the overall chemical or alloy composition, as well as the size, shape, spatial arrangement of precipitates, phases, inclusions, dendrites, etc. within the crystal structure. And includes characteristics such as composition. For example, cast and directionally solidified Ni-base superalloys generally have γ 'precipitates, spatially arranged dendritic branches, and various other distinguishable phases (eg, various carbide and carbonitride phases). Is included. These crystal structures and metallurgical structures can be determined and identified by various known analytical techniques widely used including chemical analysis, spectroscopic analysis, various X-ray methods and microscopy. As used herein, the term “microstructure” encompasses both crystalline and metallurgical structures.
[0019]
As shown in FIGS. 1, 2 to 4, and FIGS. 5 to 6, the present invention is a method for providing an extended portion integrated with an end portion of an article, and this method includes the following steps ( (See FIG. 1). An article 2 is selected (100) that includes a distraction end 4 having a cross-sectional shape (not shown), a distraction bond or growth surface 6 and an outer surface 8 defined by the cross-sectional shape. The extended end 4 further has a microstructure including a superalloy composition and a crystallographic structure 10 that is oriented in the direction. A mandrel 12 is attached to the surface 6 for joining the distraction portion (200) (see FIG. 2). The mandrel 12 has a cross-sectional shape that matches the cross-sectional shape of the distraction end 4 and an outer surface 14 that communicates with the outer surface 8 of the distraction end 4. A ceramic mold 16 is formed over the outer surface 14 of the mandrel 12 and at least a portion of the outer surface 8 of the distraction end 4 (see FIG. 3). The mold 16 has a mold cavity 18 having a shape defined by the mandrel 12 and defining the shape of the integrally extending portion 20, and further includes at least one gate means 22 communicating with the mold cavity 18. Have. The mandrel 12 is removed (400) (see FIG. 4). The extended end 4 of the article 2 is immersed (500) in a bath 24 of molten material 26 having an alloy composition that matches the superalloy composition of the article. As a result, the molten material 26 enters the mold 16 through the gate means 22 and comes into contact with the extension portion bonding surface 6. A part of the surface 6 for joining the distracted part is heated by the molten material 26 and is held in contact with the melted material 26 for a time sufficient to interact as a microstructure growth seed crystal (600) (FIG. 5). Under controlled thermal conditions, the molten material 26 conforms to the shape of the mold cavity 18 at the interface 28 between the molten material and the growth seed crystal and conforms to the microstructure of the distraction end 4. The distraction end portion 4 is extracted from the molten material 26 at a speed that solidifies as the integrated distraction portion 20 having a microscopic microstructure (700) (see FIG. 6). This controlled thermal condition consists of maintaining a temperature gradient inside the article 2 such that the temperature is highest at the interface 28 and decreases with increasing distance from the interface 28 in the article 2.
[0020]
The selection process 100 consists of selecting the article 2 to be provided with the extension. This may include selecting (100) a newly manufactured article that does not have a distraction, or that needs to be added to or modified or modified to an existing distraction. . It may also include selecting an article having an existing distraction used in an application such as a turbine engine that requires modification, replacement or repair of the existing distraction. The article 2 of the present invention can take many useful forms, but most commonly includes a distraction end 4 that seeks to form an integral distraction having a cross-sectional shape, distraction joint surface 6 and outer surface 8. It can be characterized as having. For a superalloy article 2 of many useful embodiments, such as a gas turbine engine component, the article 2 generally has a longitudinal orientation, for example a longitudinal axis 30 as shown in FIGS. . In the case of articles 2 having a longitudinal orientation, these can be further described as consisting of a base end 32, a transition portion 34 and an extended end 4 as shown in FIGS. In the preferred embodiment, the article 2 comprises wings, for example, a blade member in the form of a turbine blade 42 as shown in FIGS. The turbine blade 42 comprises a base or root 44, a blade section 46 and a blade tip 48, which correspond to the base end 32, transition portion 34 and distraction end 4 in FIGS. 5 and 6, respectively. The base 44 can take many forms, but generally includes means for attaching the blade 42 to other parts of the turbine (eg, disks and blisks). When the blade 42 is to be used with a turbine disk, it typically has features such as a shank 44A and a dovetail 44B for such attachment. The base 44 may also include means for communicating with a hollow interior such as an internal passage or channel 44C defined within the wing section. The blade section 46 of the turbine blade 42 is well known and generally includes a concave pressure side wall 46A and a convex suction side wall 46B that connect a leading edge 46C and a trailing edge 46D that is chordally spaced. A blade tip 48 interconnects these elements at the outer end of the blade (see FIGS. 7 and 9). The wing section 46 also often has a partially hollow interior 46E that communicates with an internal passage 44C in the base 44 for the purpose of circulating a cooling fluid, such as air, from the base 44 to the wing section 46 in use. . This partially hollow interior typically includes a serpentine or labyrinth shaped cooling channel 46F that communicates with the exterior of the wing section 46 via a passage or hole 50. The cooling channel 46F also often communicates with the end wall 62 in the form of a plurality of small passages 74 or holes through the end wall 62. The passage 74 is also used with a cooling fluid stream, such as air, in use of the article 42. The blade tip 48 is at the end of the wing section 46 away from the base 44. Referring to FIGS. 7, 8 and 9, the blade tip 48 may be solid (FIG. 7) or may comprise an end wall 62 and a peripheral distraction rim 58, in this case the rim. 58 typically has a thickness of about 0.02 to 0.15 inches and protrudes from the outer surface of the end wall 62 by 0.02 to 0.25 inches. However, the thickness and length of this extension may vary depending on several factors, including the overall size of the blade 42 (gas turbine blades are generally much larger than jet engine blades) and the location of the blade 42 inside the engine. Depends on factors. Larger blades generally have a thicker rim than smaller blade rims. The blade tip 48 is often worn or damaged during operation as already described. Accordingly, the method of the present invention generally includes the distraction end 4 or, in the case of the turbine blade 42, the blade tip 48, whether in the form of a solid distraction, or only the distraction of a peripheral extending rim, It can be used to repair by adding an integral extension 20.
[0021]
In the selected article 2, the distraction end 4 has a cross-sectional shape, which can be any useful cross-sectional shape. However, as already described, this cross-sectional shape is preferably the cross-sectional shape of a blade such as a blade or vane of a turbine illustrated in the perspective view of the extension end 4 shown in FIGS. The distraction end 4 also includes a distraction bond or growth surface 6. This surface is the first surface when the integral extension 20 is grown using the method of the present invention. The extension part bonding surface 6 can have any appropriate shape or size depending on the desired shape and size of the extension part required, and may be planar or non-planar, for example. Since this method is preferred when growing the integral extension 20 on a wing blade member, the preferred shape generally comprises a cross-sectional wing shape represented by the rim 58 of the blade tip 48 as illustrated in FIGS. The distraction end 4 also includes an outer surface 8 that can be of any suitable shape and size. In the case of a blade member of the wing, the outer surface 8 corresponds to the wing surface 53, and this wing surface is formed by a pressure side wall 46A and a convex suction side wall 46B which connect a leading edge 46C and a trailing edge 46D separated like a chord. It corresponds to the generally complex surface of the curve represented.
[0022]
The selected article 2 further has a superalloy composition and directionally oriented crystal structure 10. As used herein, the term “superalloy” is defined as any heat-resistant alloy that is suitable for use above 540 ° C. and can be processed to form a directionally oriented crystal structure. The This is well known or described, for example, in a metal handbook 10th describing a number of castable superalloys, in particular Ni-based superalloys which can be directionally solidified or formed as single crystals. Metals Handbook Tenth Edition, Volume 1, Properties and Selection: Iron, Steels, and High-Performance Alloys, American International Society for Metals (ASM International, 1990) ) As described on pages 981-994 and pages 995-1006, Ni-based, Fe-based or Co-based superalloys are included. Such superalloys are currently widely used in blade member applications. However, acceptable superalloys are also not currently referred to as superalloys, and high temperature alloys that are not widely used commercially in blade member applications, such as Nb-based alloys and Ti-based alloys (Nb-Ti alloys and Ti-- Al alloys) and Ni-Al alloys are also included. In this sense, a superalloy includes an alloy containing a reinforcing medium that is inherently (intrinsic) or exogenously formed, such as a superalloy containing exogenously formed ceramic, mesophase or other fibers. A composite (eg, a Ni-based alloy containing alumina fibers) or a Nb-based composite alloy containing a uniquely formed Nb—Si intermediate phase may also be included.
[0023]
In the case of selected articles having existing distractions, such as worn, oxidized, or damaged turbine blades, the article 2 may optionally have a distraction end 4 to facilitate the addition of new material according to the method of the present invention. Alternatively, a part of the blade tip 48 may be removed. This is illustrated in FIG. 1 as an optional step 150 in which a portion of the distraction end 4 is removed prior to immersing the distraction 4 in the molten material 26 (500). For example, it may be desirable to remove heavily oxidized portions of the turbine blade tip to enhance interaction with the molten material in subsequent steps of the method. If the distraction end 4 is a blade tip 48, the end of the turbine blade tip is flattened, for example, when the tip is inserted into the molten material, by making the remainder of the tip a more uniform length or cross-section. Thus, it may also be desirable to remove a portion of the blade tip 48 in order to make the surface that solidifies the material that will form the extension thereon more uniform. In addition, the edge of the blade tip becomes a non-planar surface (for example, a sawtooth pattern, a stepped pattern or other non-planar surface), so that the surface on which the material that forms the new tip solidifies is uneven. As such, material could be removed from existing articles such as turbine blade tips. Any suitable method can be used to remove the material, such as polishing, sawing, machining, etching, or other similar material removal methods. However, mechanical damage that can promote nucleation of new grain texture during heating of the end of the article is avoided. This step may be performed at any time prior to dipping 500, but if a mechanical or physical removal method is to be used, it is removed prior to attachment (200) of mandrel 12 to avoid damage to mold 16. (150) is preferred.
[0024]
After the selection step 100 and the optional removal step 150, the next step is the step 200 of attaching the mandrel 12 to the distractor bonding surface 6. The mandrel 12 can be made of any material that is compatible with the distractor bonding surface 6. Compatibility refers to the interaction of the article 2 with the superalloy of the article 2 by the attachment 200, particularly in the region of the extension joint surface 6 (ie, other steps of the method, particularly the extension as a seed for microstructural growth). This means that the mandrel 12 must not cause any interaction) that would interfere with the interaction of the bonding surface 6 in the molten material 26. Also, due to the compatibility, the mandrel 12 is formed from a material that can be attached to the extension joint surface 6 and has sufficient durability so that the means used for attachment can withstand the forming process 300. It is also required to be. The mandrel 12 can be made of materials such as pure metals, metal alloys, polymers, waxes and salts. The attachment step 200 may consist of attaching a pre-formed mandrel using attachment means such as an adhesive, or may comprise a pre-formed mandrel diffusion step such as diffusion bonding. Furthermore, after adding a sufficient material as the mandrel 12 to the surface 6 for joining the extended portion in the rough finish form, the mandrel 12 is removed from the rough finish form using a known material removing means suitable for removing the used mandrel material. It may be formed. As an example of the attachment process 200, if the mandrel 12 is a wax, the surface is formed in advance so that the wax is softened or melted enough to join the extension joint surface 6. After being warmed, the wax mandrel 12 can be bonded to the surface for extending portion bonding only by pressing the mandrel 12 against the surface for extending portion bonding. As another example of the attachment process 200, if the material of the mandrel 12 comprises a metal or alloy, it is sufficient to spray the material onto the distractor bonding surface 6 using known means to form the mandrel 12. A rough finish can be created. Thereafter, the mandrel 12 can be formed from the rough rough finish using known appropriate material removal means. The material used to form the mandrel may be any material that is compatible with the process 300 for forming the ceramic mold of the method and other processes that can utilize the mandrel 12. The mandrel 12 has a cross-sectional shape that matches the cross-sectional shape of the distraction end 4 as shown in FIGS. The normally compatible cross-sectional shape may be the same as that of the distraction end. When the article 2 is a wing, the cross-sectional shape of the mandrel 12 may be a wing shape having the same size. However, it may be desirable for the mandrel 12 to have a cross-section that is approximately the same as the shape of the distraction end 4 but larger than that so that a larger ceramic mold is formed during the forming process 300. If the mandrel 12 is larger, the ceramic mold 16 will also be larger, and therefore the extension will be larger. If it is desirable to perform material removal or surface finishing on the distraction 20, such a larger shape may be used. Conversely, the mandrel 12 is substantially the same shape as the distraction end 4 but could be made small to produce a small distraction. Such a small shape may also be desirable if it is desirable to add a material such as a coating layer to the outer surface of the distraction 20 while maintaining the same cross-sectional size as the distraction end 4. Also, the mandrel 12 preferably has substantially the same cross-sectional shape as the distraction end 4, but any suitable cross-section can be used, and this cross-sectional conformance is a form in which the cross-sectional shape of the mandrel 12 is desirable for the distraction portion 20. Is finally determined by whether or not As an example, in the case of a mandrel for blade tip 48, the cross-sectional shape would be that of solid tip 48 (FIG. 7) or rim 58 (FIG. 9). The mandrel 12 also has an outer surface 14 that communicates with the outer surface 8 of the distraction end 4. This communication is such that the outer surface 14 and the outer surface 8 together form a continuous or nearly continuous surface, or, as described above, the mandrel 12 has a different cross-sectional shape or size than the distraction end 4. If it has a thickness, there may be discontinuities between these surfaces. If there are discontinuities between these elements, the outer surface of the mandrel 12 regardless of the different geometric features of the surface (eg, shoulders, neck-down regions, or other surfaces that interconnect or connect these surfaces) 14 communicates with the other surface 8 of the distraction end 4. The mandrel 12 has a length (L) as shown in FIGS. For mandrels used to form extensions on blades such as blades or blades, the mandrel length is typically in the range of about 0.02 to 0.25 inches, which is the blade / blade tip Corresponds to the general length range.
[0025]
After the mandrel 12 is attached (200), the next step is to cover at least a portion of the outer surface 14 of the mandrel 12 and the outer surface 8 of the extended end 4 as shown in FIGS. Step 300 of forming The ceramic mold 16 can be formed by any method compatible with the mandrel 12 and the distraction end 4. The ceramic mold 16 covers a sufficient portion of the extended end 4 so that the mold 16 does not come off the extended end 4 when the mold 16 is inserted into the molten material 26 as described herein. Should be formed. Known methods include forming a ceramic mold from the slurry (300) or thermal spray molding. The ceramic mold 16 can be formed from the slurry by dipping and pulling the mandrel 12 and the distraction end 4 into the slurry or by spraying the slurry onto the mandrel 12 and the distraction end 4. The ceramic mold formed from the slurry exists in the raw state and may include an optional step 250 of sintering such mold prior to the dipping step 400 to increase the density and mechanical strength of the mold. preferable. The forming process 300 may also consist of thermal spray molding using well known methods such as plasma spraying. Molds formed by thermal spray molding can also be sintered, but usually such materials will have sufficient mechanical strength to be used as a mold. Ceramics that can be used to form the mold 16 include alumina, mullite, alumina / silica mixtures, calcia and zirconia. The selection of the ceramic material is made so as to ensure compatibility between the mold 16 and the superalloy of the article 2 and the molten material 26, and in particular to avoid contamination of the molten material 26 or the extension 20. Ensuring compatibility is not only ensuring sufficient mechanical strength of the mold in the dipping process 400, holding process 500, and drawing process 600, but in each of these processes sufficient adhesion between the ceramic material and the distraction end. As well as other conformance requirements. The mold 16 has a mold cavity 18 having a shape defined and initially occupied by the mandrel 12 as described herein. The shape of the mold cavity 18 determines the shape of the integrally extending portion 20. The mold 16 may exist as a single continuous piece, or as multiple pieces, depending on the shape of the mandrel 12 and how the ceramic material is applied in the forming process 300. Also good. The mold 16 also has at least one gate means 22 in communication with the mold cavity 18. The gate means 22 allows the molten material 26 to enter the mold 16 and contact the extension joint surface 6. In one embodiment, the gate means 22 may simply be an opening at one end of the mold 16, usually having the same shape as the cross-sectional shape of the extended end 4 as shown in FIGS. In another embodiment, the gate means 22 can be a restricted port, which helps to control or direct the molten material 26 to flow into the mold cavity 18 and is used in various casting techniques. Similar to gate means. The gate means 22 can be formed during the formation process 300, for example, prior to the formation process, the mandrel 12 is adapted to be generated by such means during the formation process. For example, the mandrel may be provided with features that form the gate means 22 during the forming process 300, or the gate means 22 may be provided during the forming process with the addition of a member on the mandrel. . The gate means 22 may include a material removing step as part of the forming step 300 to apply a ceramic material to the mandrel 12 and the extended end 4 and then open a passage in the mandrel or add a member. Can also be formed. The mold 16 also preferably includes a contaminant escape means 36. The contaminant release means 36 is configured to prevent contaminants from accumulating inside the mold 16 in any of the dipping process 500, the holding process 600, or the drawing process 700. Contaminants may include trapped gases, oxides of alloy components, or particles detached from the ceramic mold 16. Contaminant escape means 36 may also directly assist the flow of molten material 26 within the mold 16. Contaminant relief means 36 may comprise a single passage such that contaminants may be removed from the mold when the mold 16 is filled with molten material 26, as shown in FIG. A plurality of features may be given. Such means can be formed in a manner similar to that used to form the gate means 22.
After the ceramic mold 16 is formed, the next step is a step 400 for removing the mandrel 12. Any suitable removal method can be used. Such methods include, for example, melting the mandrel 12 and pouring the melt from the mold 16, dissolving or etching the mandrel 12, pyrolysis of the carbonaceous mandrel, and various mechanical removal methods. Can be included. If an optional sintering step 250 is used, the removal step 400 may be performed either before or after the sintering step 250 or during sintering, depending on the material used for the mandrel 12. However, for materials with a relatively low melting point, the inventor believes that it is preferable to remove the mandrel 12 prior to sintering.
[0026]
In another embodiment of the method of the present invention, the attaching step 200, forming step 300, and removing step 400 are a single step of attaching the pre-formed ceramic mold 16 'over at least a portion of the outer surface 8 of the distraction end 4. Can be replaced. The preform 16 'is a mold cavity that at least partially surrounds the extension joint surface 6 and defines the shape of the integral extension 20 as shown in FIGS. Has 18 '. The mold 16 'is preferably a sufficiently dense and sintered ceramic. The requirements for the pre-formed ceramic mold 16 'are essentially the same as the requirements for the in-situ formed mold described herein, and such a mold 16' can be made from the same ceramic material. . The pre-formed mold 16 'also includes at least one gate means in communication with the mold cavity 18'. Such a mold may also have features such as contaminant escape means 36 '. Mold 16 'can be formed using known ceramic forming methods and equipment. Any means suitable for attachment can be used to attach the preformed mold 16 'to the distraction end 4. For example, an interference fit, the use of any number of mechanical attachment devices, ceramic binders, slurries, cements and similar materials, or any combination thereof. Such attachment means are well known.
[0027]
The method of the present invention is not found in related art methods for forming superalloy extensions such as those described in US Pat. Nos. 5,291,937 and 5,304,039, and from conventional methods. Has features that bring unbelievable benefits. For example, in the method for forming a mold of the present invention, it is not necessary to separately manufacture a mold or a die in accordance with various sizes and shapes of desired extension portions. This method therefore has the flexibility to be easily changed in the design of the desired distraction. The method also adjusts the size and shape of the mandrel and adjusts how the mandrel is positioned relative to the distractor bonding surface, thereby allowing the mold cavity and thus the distractor to extend to the distractor bonding surface. Can be indexed against. Furthermore, it is possible to form the mold so that the mold covers features such as passages that penetrate the extension and communicate with the interior of the hollow article, such as a blade, so that during the formation of the extension, the sacrificial material or The need to use a barrier material is avoided. In addition, using the present invention, it is possible to control the molten material entering the mold through the gate means, thus controlling the manner in which the molten material is introduced into the extension joint surface and thus A means for controlling the interaction between the melted material and the surface for joining the elongated portion as the seed crystal for microstructure growth is obtained. Also, the mold of the present invention can optionally be provided with a contaminant escape means that avoids the accumulation of gas and other contaminants in the mold and in the resulting extension. This is an advantage not mentioned in the related prior art methods.
[0028]
Referring again to FIGS. 1, 5 and 6, the next steps after the removal step 400 and optional sintering step 250 are a dipping step 500, a holding step 600 (see FIG. 5) and a drawing step 700 (see FIG. 6). . The dipping process 500 places the extended end 4 of the article 2 into a bath 24 of molten material 26 having an alloy composition that is compatible with the superalloy composition of the article 2 and places the molten material 26 into the mold 16 via the gate means 22. It is made to contact with the surface 6 for inserting and extending a part. Due to the dipping process 500, the extended end 4 and the molten material 26 come into close contact with each other. As a result, various known heat transfer mechanisms are generated, and the temperature of the article 2, in particular, the extended end 4 is rapidly increased. It approaches the temperature of 26. In order to perform the dipping process 500, the extended end 4 of the article 2 is dipped into the molten material 26 to a desired depth. This desired depth depends on a number of factors. Such factors include the type of article, such as its size and alloy composition, the temperature of the molten material 26 and the shape of the distraction end 4 (eg, flat or stepped end). The maximum immersion depth is generally determined by the amount of meltback desired on the distraction end 4 taking into account the factors as described above. The dipping process 500 is in any desired manner, stepwise to the desired depth, almost instantaneously, or by slowly increasing the descent rate, or any other suitable combination such as the above methods. It can be carried out by any of the immersion methods.
[0029]
The molten material 26 must have an alloy composition that is compatible with the superalloy composition of the article. To provide the molten material 26, any of a number of known methods such as resistance heating, induction heating, electron beam heating, laser heating, or other suitable methods may be used. Heating can be done in any suitable apparatus such as a ceramic crucible, a water-cooled copper crucible (as illustrated in FIGS. 5 and 6) or a refractory crucible. Such heating may be performed in air, but in the case of most superalloys, it is preferably performed in a protective atmosphere such as argon or in a vacuum. A preferred method for preparing the Ni-based alloy molten material 26 is to use a known induction heating means 13 and a water-cooled copper crucible 15 for heating in an argon atmosphere in a closed chamber as illustrated in FIGS. It is to heat with. This device has the advantage that the possibility of contaminating the melt with ceramic originating from a ceramic crucible is avoided, and the reaction of atmospheric components (nitrogen and oxygen) with the molten material 26 is also avoided. The alloy composition of the molten material 26 need only be compatible with the superalloy composition of the article, and the rest of the method of the present invention provides an integral extension 20 on the article 2 as described below. In general, in the sense of the present invention, conformity means that there is some continuity or similarity between the crystal structure, the metallurgical structure, or both, between the article and the extension solidified from the molten material. Yes. Compatibility also means that none of the alloys has any adverse effects due to alloying element depletion, contamination, liquid metal embrittlement, formation of a brittle phase at the solidification interface 28, and the like. Furthermore, conformity can also mean that there are some limitations on the mechanical and physical properties and metallurgical discontinuities between the article 2 and the distraction 20. Ultimately, suitability must be measured by performance. If an extension part 20 of one alloy can be repeatedly grown on an article 2 of another alloy, the article 2 on which the extension part 20 is grown can be subjected to a subsequent manufacturing operation, and an article having the extension part 20 If the two can be used satisfactorily when completed, the two alloys are compatible regardless of the above general theory. As used herein, the term “molten material compatible with” shall mean a liquid state material or alloy that meets the standard conditions described above for compatibility. Since the crystallographic structure and metallurgical structure of the distraction part 20 can both be different from the article 2, depending on the degree of compatibility required between the article and the distraction part, for a given article 2 A wide range of compatible molten materials are possible. For some applications, where it is desirable that the crystallographic structure and metallurgical structure of the extension 20 be close to the article 2 (eg, when epitaxial growth is desired, the extension 20 must also have a directionally oriented crystal structure. If so, the range will generally be narrow, so it would be most desirable that the alloy composition of the molten material 26 be the same as or very close to that of the article 2. Possible for other applications where the crystallographic structure and metallurgical structure of the distraction do not need to match the article (eg, an equiaxed crystal structure or other non-oriented crystal structure is sufficient) The range is generally broad and the alloy composition of the molten alloy 26 can be quite different from the article 2. Also, depending on the application, it may be desirable to create a structure that is significantly different from the crystalline structure and / or metallurgical structure of the article in order to have different properties for different requirements. For example, it may be desirable for the article to have a lower modulus and increased creep and fatigue resistance compared to the distraction, and it may be desirable for the distraction to have higher wear and oxidation resistance. As indicated by hatching in FIGS. 2 and 3, the superalloy composition of the article can be different from the distraction grown from the molten material on the article. However, as reported in the cited patent, in order to select different alloy compositions, the crystal structure of the extension grows integrally with the crystal structure of the article and continuously grows regardless of the difference in composition. Must do so. This growth mode is sometimes referred to as epitaxial growth. In the sense of the present invention, this will also generally describe the high degree of compatibility between the alloy of article 2 and the alloy of distraction 20. It is also recognized that the crystallographic structure or metallurgical structure of an article or both can change at the base end and the distraction end 4, and when referring to the compatibility between the article and the distraction part herein. Mainly, the compatibility between the extended portion 20 and the extended end portion 8 of the article 2 shall be said.
[0030]
Step 600, where a portion of the distraction end is heated by the molten material and held for a time sufficient to interact with the molten material as a microstructure growth seed, is important and can vary greatly within the method of the present invention. It is a process. This is because the amount of interaction and the degree or extent to which the distraction end functions as a seed crystal for growth can vary greatly according to the method as described herein. Depending on the combination of materials, equipment and process conditions, sufficient time may be sufficient for the holding step 600, eg, a relatively small amount of the interaction between the article 2 and the molten material 26 has a microstructure that matches the microstructure of the article 2. It may be nearly zero if it is necessary to produce a continuous integral extension 20 and is sufficient to meet the intended application requirements. For applications where a greater amount of interaction is desired, such as the growth of epitaxial extensions 20, the time sufficient to reach equilibrium for most article and molten material combinations is longer, perhaps as long as 30 minutes. I understand. For applications that are expected to take longer, use known or measured heat transfer information about article 2 and molten material 26 to calculate the time required to melt back the desired portion of distraction end 4 By doing so, the required time can be evaluated. Whether the holding process 600 has sufficient time is also affected by the method used for the dipping process 500 and the time used for this process.
[0031]
Utilizing means to enhance and control the interaction between the article and the molten material in the dipping process 500, the holding process 600 or both, such as using auxiliary heating, cooling or both as described herein May be desirable. In addition, it may be desirable to provide other means known in the art such as agitation or other agitation in the molten material or agitation of the article, for example by ultrasonic agitation.
[0032]
The drawing process 700 is a process in which the extended part 20 is formed or the extended part 20 grows on the extended end part 4. With reference to FIGS. 5 and 6, the drawing process 700 is a one-piece distraction process in which the melt material 26 has a microstructure 29 that matches the directionally oriented microstructure 10 of the article 2 at the growth seed crystal-melt material interface 28. It consists in taking out the distraction end part 4 from the molten material 26 at such a speed that it solidifies on the seed crystal for growth as the part 20. Thus, during the drawing process 700, the article 2 has a temperature gradient such that its temperature drops between the interface 28 and the base end. The drawer 700 can be performed at a rate (constant or variable) such that the desired microstructure characteristics of the distraction 20 are generated, as will be described in detail below. The speed of the drawer 700 depends on the solidification characteristics of the molten material 26 on the article 2 and also depends on the alloy composition of both, the temperature of the molten material 26, the temperature gradient inside the article 2, the temperature of the interface 28, and other factors. When the integrally extended portion 20 is formed at the interface 28, the extended portion generally takes the shape of the mold cavity 18 except for the shrinkage effect that may occur during solidification and cooling of the extended portion and the detachment from the mold cavity.
[0033]
The dipping process 500, the holding process 600, and the drawing process 700 are preferably performed using the same apparatus. These steps can be performed using any of a number of well known dipping, holding and drawing means. Appropriate dipping, holding and drawing means are typically means for holding or gripping the article 2 (not shown), in contact with the holding means, dipping the article 2 in the molten material 26 and melting it. It comprises drive means (not shown) for extracting from the material and means (not shown) for controlling the movement of the drive means during these steps. The article 2 can be held using any means suitable for gripping the article, such as a known gripping jig or clamp mechanism. The dipping 500, holding 600 and drawer 700 are automated programmable similar to those known in the field of crystal drawing, such as those used to perform the Czochralski or Bridgman solidification process. This is preferably done using computer controlled drive means. It is also desirable that the equipment used to contain the molten material be isolated as much as possible from uncontrolled mechanical vibrations. Furthermore, the control means may also control the movement of the drive means based on other calculated or measured factors such as the temperature gradient inside the article, the temperature of the molten bath, the temperature of the article / bath interface, and other factors. It may also be desirable to adapt to adjust (fixed or variable). In the dipping process 500 and the drawing process 700, relative movement between the article 2 and the molten material 26 is required. For the purposes of this method, the relative movement can be achieved by moving the article 2, the molten material 26, or both, but it is generally preferred for the inventor to move and fix the molten material 26 by moving the article 2. I believe.
[0034]
An example of a possible result obtained by carrying out one embodiment of the method of the present invention is shown with an extension of 56 for a wing section 46 of the type shown in FIGS. The extension 56 extends from the broken line 52, which means the interface 28 inside the first blade tip 48, and the extension 56 constituting the new blade tip 48 has grown from this broken line 52. And represents the meltback that occurs during these steps. As can be seen in the partial illustration of FIG. 8, when the blade tip 48 is used as a seed crystal for growth, a solid distraction 56 having a compatible microstructure is obtained. In this example, the microstructure includes a number of elongated particles that are continuous and integral with the original blade tip 48 particles.
[0035]
Another form of the tip portion of the air cooling blade of the gas turbine engine is shown in the fragmentary view of FIG. 9 and the cross-sectional view of FIG. 10 taken along line 7-7 of FIG. This type of tip is sometimes referred to as a “squealer tip”. This is because, under certain operating conditions, it may interfere with or rub against the opposing member in order to approach the zero clearance state. As a result of such interference, the peripheral rim 58 of the blade tip 48 may become worn or damaged. Even without such frictional conditions, friction with airborne particles and oxides may occur during operation, resulting in damage to the rim 58. The method of the present invention can also be used to repair such damage by providing an extension as described above. However, the extension 56 in this case (or the extension 20 when considering a more general description of the method) is not a solid extension 56 but an extension of the portion of the blade tip 48 that includes the peripheral rim 58. The difference is that it can be only part. In order to form an extension only on the rim 58, contact between the molten material and the end wall 62 should be avoided.
[0036]
If the rim 58 is narrow or if the damage extends near the end wall 62, the interaction between the rim 58 and the molten material 26 should be limited and carefully controlled to avoid damage to the end wall 62. is there. In particular, care should be taken if the end wall 62 includes features such as channels 74 or holes in communication with a partially hollow interior as described herein. One embodiment of the method of the present invention is to form a mold 16 to cover and protect such features as shown in FIGS. In FIG. 10, the edge or surface 66 of the rim 58 is eroded and represents a portion that has been damaged and needs to be repaired.
[0037]
11-13 show a series of procedures in carrying out the method of the present invention, and illustrate the repair of the blade 42 having a hollow interior as shown in FIG. For example, such an interior can be a fluid-cooled turbine blade or serpentine or labyrinth passage 70 in the vane 42. For convenience, some of the reference numbers are the same as those already used. FIG. 11 shows the rim 58 in contact with the molten material 26 and partially melted back from the original rim edge indicated by the dashed line 66. In FIG. 12, the meltback continues to melt back into the rim 58 to 68 lines, and the remaining portion of the rim 58 is sufficient to function as a growth seed crystal for solidification of the molten material 26. Yes. The blade 42 is then moved upwardly as shown by the arrow 54 in FIG. 13 while still in contact with the molten material 26 and solidified from the melt line 68 by continuous solidification at the interface 28 as described above, below the broken line 72. It is pulled out until the extension 56 composed of the sections of the rim 58 grows on the rim 58. Where additional holes are desired so that the blade extension 56 is solid at a portion and is in communication with the hollow interior as described herein and illustrated in FIGS. 9-13, such holes are known. It can form using the method of. For example, such holes can be formed by drilling by laser, electrochemical or discharge methods that are well known and widely used in the material removal field. In the method of the present invention, when the melting point of the molten material is lower than the melting point of the article end that functions as the growth seed crystal, the interaction between the molten material and the growth seed crystal is the end of the article that is the growth seed crystal. It is believed that complete melting of is not necessary. What is needed is that there be a condition at the interface that allows the subsequent growth of the crystal structure across the interface into the molten material.
[0038]
Reference is again made to FIGS. A dipping process 500, a holding process 600, and a process 700 withdrawing the distraction end 4 from the molten material 26 establish a temperature gradient within the article 2 that can be viewed as a gradient between the interface 28 and the base end. Here, the temperature at a given position inside the article 2 decreases from the interface 28 towards the base end. The temperature gradient inside a given article 2 depends on the temperature of the molten material 26, the thermal conductivity of the article 2, the shape including the passages in the article 2, the withdrawal speed of the article 2, and the apparatus used to carry out this method. And other factors including the presence of an external heating or cooling source that may be applied to the article 2 during these steps. As is well known in the field of solidification of molten materials such as superalloys, the thermal gradient at the interface where solidification is taking place affects the microstructure of the resulting article. Superalloys tend to have less directional orientation and more equiaxed grain structure due to perturbations that produce non-unidirectional heat flow with a relatively small thermal gradient of about 10 ° C./cm. For example, with a steeper thermal gradient, such as 25-150 ° C./cm, conditions that promote dendritic solidification of the molten material 26 at the interface 28 tend to occur at the interface. Temperature gradients within the article 2, particularly near the distraction end and the interface 28, also affect the nature of dendritic growth, including the spatial arrangement of primary and secondary dendritic crystals. Control of the temperature gradient at the interface 28 is particularly important when it is desired to produce a specific directional morphology and orientation within the extension, whether polycrystalline directional solidification or single crystal growth. The method of the present invention may also include using any step that changes the temperature gradient within the article 2. These steps include a heating step 800 by heating means (other than conduction from the molten material 26) at the extended end of the article, a step 900 for removing heat from the article using an external cooling means, or an external heating means. A process 1000 may be included that heats the extended end of the article while simultaneously cooling the article with external cooling means at a location other than the extended end. These optional steps can be used with any or all of the dipping step 500, the holding step 600, and the withdrawal step 700 described herein. External heating means are well known and use, for example, another induction coil arranged so that the extended end of the article is heated. External cooling means are also well known in the solidification field, using chills such as water-cooled chill, metal chill plates or other means. Such cooling means are generally attached to the base end 32 or transition portion 34 of the article 2, but the chill may be attached to the distraction end in situations where no heating means is used at the distraction end of the article. Using these steps, the temperature gradient can be controlled both at the interface and inside the article.
[0039]
Depending on the combination of the shape of the article 2 and the steps of the method, in addition to repeating any material removal and / or heating or cooling steps in combination with the steps, the same molten material or different alloy composition may be used. It may be desirable to repeat the dipping 500, holding 600 and withdrawal process 700 of the article 2.
Referring again to FIGS. 5 and 6, the surface of the distraction formed using this method is typically in an unfinished form, and thus an additional material removal step is required to produce the final finished distraction. Often it is necessary to use surface finishing or coating processes, such as grinding, machining, polishing or other material removal and / or surface finishing processes, or spray forming of ceramic coatings, which also solidify from the molten material One of ordinary skill in the art to know will understand.
[0040]
[Description of Examples]
Example 1
As an article for forming an extension according to the method of the present invention, Ni-13.7Al-7.9Cr-12.3Co-2.1Ta-0.1B-0.9Mo-1.6W-0. An existing blade member in the form of a turbine blade made from an alloy of 9Re-0.6C-0.5Hf (atomic%) was used. In this evaluation, it was desired to add a distraction to the blade section of the turbine blade as described herein to simulate chip repair as shown in FIGS. The microstructure of the casting blade was composed of a plurality of directionally solidified particles having orientations similar to those illustrated in FIG. The material used as the molten material had almost the same alloy chemistry as the blade. The Ni-base superalloy raw material was placed in a water-cooled copper crucible, and the crucible was placed in a chamber that was filled with argon gas. The chamber was filled with argon and the alloy was melted in a crucible. The superalloy raw material was melted in the crucible using induction heating means and heated to a temperature of 1400 ° C. The article was placed in a holding means consisting of a bolt to which the article was welded, and then it was attached to a driving means consisting of a threaded drive rod with a digital encoder for dipping, holding and pulling out the article. This driving means was connected to the means for controlling the movement. This control means consisted of a computer-based controller for controlling the depth at which the article was inserted into the molten material, its holding time and the withdrawal speed. The blade was then lowered into the molten material to a depth of about 1-5 mm and held for 5 minutes. During this time, the blade interacted with the melt by melting back the inserted part. Further thereafter, this blade functioned as an oriented growth seed crystal when the extrudate solidifies from the superalloy melt. The blade was then drawn from the melt by moving it upwards at a rate of about 10 mm / min. The drawing and directional solidification were continued until the extension of about 6 mm / min solidified. As a result, it was possible to solidify the elongated portion having the same directionally solidified crystalline structure as the blade. This extension part was continuous with the extension end part of the article, and was integrated.
[0041]
Articles obtained by practicing the present invention included a base and a partially hollow wing section having an external cross section. This did not include a blade tip of the type described herein simply because it did not have an end wall. However, its shape is such that the wall of the wing section has a thickness of about 6 mm, which is very similar to the peripheral rim of a typical turbine blade having an end wall as described herein. . Thus, this example is very close to the microstructure and geometry of a typical turbine blade tip and serves to demonstrate the method of the invention for the growth or repair of such a tip. The article used had a first crystal structure of the wing section consisting of a plurality of directional oriented elongated particles and a first metallurgical structure based on the alloy composition of the article. The extension that is integral and continuous with the wing section has a second crystal structure that is continuous and compatible with the first crystal structure of the wing section, and is continuous and compatible with the first metallurgical structure, There was also a second metallurgical structure that was somewhat distinguishable due to the slightly different dendrite branch spacing resulting from the different thermal gradients used to grow the original article and this new blade end. Although no ceramic mold was used in this example, the solidification process described in this example is an illustration of the solidification process that occurs when using a ceramic mold. This ceramic mold defines the shape of the solidified extension.
[0042]
The interface portion between the wing section and the extension is different from what is reported in the related art methods such that separately manufactured and aligned separate members are diffusion bonded together. It was similar in some respects to the interfaces described in the related art cited patents describing continuous casting of blade tips. However, the method of the present invention does not require any fluid pressure on the molten material. The main difference between the present invention and many of the related technologies is the interface. In this example, the extension can be epitaxially grown by stacking atomic layers one after another from the molten material selected as the extension on the surface of the article. That is, the particles of the distraction portion may be continuous with the particles of the article through the interface with the article. Furthermore, the method of the present invention allows such secondary particle orientations to grow, unlike the prior art interfacial bonding techniques where it is difficult to match the secondary particle (dendritic) orientation laterally. Can do. Epitaxially grown regions or repaired areas can be formed that match the original metallurgical grain structure or orientation of the article in the secondary as well as the primary direction. The advantages over the most related repair methods with equiaxed particles at the interface and repaired area are important in terms of mechanical and metallurgical properties. This is because, using the method of the most relevant technology, the metallurgical grain structure of the original article does not match the distraction or repaired area. Even when different alloys are selected for the body and distractor, the atomic metal species in the interface region typically undergoes a step change as a result of the rapid mixing of atomic species in the liquid adjacent to the solidified structure. I understand that. Even if the most relevant technical methods are carefully implemented, local surface irregularities and minor misalignments are likely to occur between the body and the other extension, resulting in these two parts. Some kind of low-angle grain boundaries may occur in between. Similarly, any part of the contaminant will become trapped at the interface, which will likely weaken the joint. In addition, the implementation of related techniques for repairing such articles usually and unfortunately blocks molten metal as it flows into the passage and solidifies. Then, additional machining operations are required to reopen the passage.
[0043]
The above examples have demonstrated that controlled growth of the type of distraction required for repairing a wing blade tip having a cross-section similar to the original wing can be achieved. While this embodiment includes only one extension, it should be understood that the present invention can be extended to grow multiple extensions simultaneously, such as multiple turbine blade tips. The invention can also be used to repair other directional oriented articles having passages such as wing vanes.
[0044]
As pointed out in the cited patent, the crystallographic structure of the extension should be substantially the same as the crystallographic structure of the existing article, but the metallurgical structure, particularly the alloy, between the extension and the existing article. It has been unexpectedly discovered that the composition can tolerate considerable changes and in some cases may be preferred. This result can also be used in the method of the present invention.
[0045]
The method of the present invention has unexpected advantages in several respects over related methods for providing distractions on articles such as wings. The welded extensions must have a composition, melting characteristics, flow characteristics and other potential properties that facilitate the use of the welding process used to form these extensions, thus Often it has a composition different from that of the article to be added. Also, welded extensions usually have an equiaxed microstructure due to the nature of the welding process used to form them, and therefore do not form a directional oriented microstructure that is possible with the method of the present invention. . It is known that diffusion bonded or other bonded extensions have interfaces that often contain defects such as voids and / or low angle grain boundaries as described herein. Thus, the interface between the extension and the article may be weaker than desired for certain applications. Similarly, the related methods of casting the extensions mentioned herein require the use of additional devices such as ceramic dies, die extensions and means for pressurizing the molten bath in which they are formed. Is not required when using the method of the present invention. Extensions having the desired microstructure features described herein can be formed without the use of such additional devices, thereby reducing the cost of forming such extensions, and contamination by such devices. The fact that this possibility is avoided is a significant and unexpected advantage over these related art methods of casting distractions.
[0046]
The foregoing embodiments are disclosed for purposes of illustrating the present invention and are not intended to illustrate all possible variations of the present invention. Variations and modifications of the disclosed aspects will be apparent to those skilled in the art. All such variations and modifications are considered to be encompassed by the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flow diagram illustrating the method of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a process of attaching a mandrel according to the method of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a process of forming a ceramic mold according to the method of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a process of removing a mandrel according to the method of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of an apparatus suitable for carrying out the method of the present invention showing the steps of holding an article in a molten superalloy material bath according to the present invention.
6 is a cross-sectional view of the apparatus of FIG. 5 illustrating the process of withdrawing an article from a molten superalloy according to the present invention.
FIG. 7 is a cutaway view of a turbine engine turbine blade including an extended end, ie, a blade tip.
FIG. 8 is a partial illustration of a repaired wing shown with a distraction formed according to the method of the present invention including a plurality of elongated particles.
FIG. 9 is a partial explanatory view of a blade tip portion of an example of an air-cooled turbine blade.
10 is a partial cross-sectional view taken along line 7-7 of the blade tip of FIG.
FIG. 11 is an explanatory cross-sectional view illustrating one embodiment of the steps of the method of the present invention relating to a partially hollow article.
FIG. 12 is an explanatory cross-sectional view illustrating one embodiment of the steps of the method of the present invention relating to a partially hollow article.
FIG. 13 is an explanatory cross-sectional view illustrating one embodiment of the steps of the method of the present invention relating to a partially hollow article.
[Explanation of symbols]
2 goods,
4 Distraction end,
6 Extension joint or growth surface,
8 outer surface,
10 directionally oriented crystal structure,
12 mandrels,
14 outer surface,
16 Ceramic mold,
18 Mold cavity,
20 integrally extending part,
22 gate means,
24 baths,
26 Molten material,
28 interface,
30 vertical axis,
36 Contaminant escape means,
42 turbine blades,
44 base or route,
46 wing section,
48 Blade tip.

Claims

An article comprising a distraction end having a cross-sectional shape, a surface for joining a distraction portion and an outer surface defined by the cross-sectional shape, and also having a microstructure composed of a superalloy composition and a directionally oriented crystal structure Selected,
A mandrel having a cross-sectional shape that matches the cross-sectional shape of the distraction end and an outer surface that communicates with the outer surface of the distraction end is attached to the surface for bonding the distraction portion.
A mold cavity having a shape defined by the mandrel and configured to define the shape of the integral extension, covering at least a portion of the outer surface of the mandrel and the outer surface of the distraction end; and Forming a ceramic mold having at least one gate means in communication with the mold cavity;
Removing the mandrel,
For immersing the extension part by immersing the extension end of the article in a bath of molten material having an alloy composition compatible with the superalloy composition of the article, and the molten substance enters the mold through the gate means. Make contact with the surface,
The extension end is in contact with the molten material for a sufficient amount of time so that a portion of the surface for bonding the extension is heated by the molten material and can interact with the molten material as a seed for microstructural growth. Hold in a state,
Controlled thermal conditions consisting of maintaining a temperature gradient in the article such that the temperature is highest at the interface between the molten material and the growth seed and decreases in the article as the distance from the interface increases The molten material from the molten material at a rate such that the molten material solidifies on the growth seed crystal at the interface as a monolithic extension having a microstructure that matches the shape of the mold cavity and that of the extension end. A method of providing an integrally extended portion on an article, comprising drawing out an extended end portion.

The article is a blade member comprising a longitudinal axis, a root, a tip having a blade-shaped cross section perpendicular to the longitudinal axis, a tip joining surface and a tip blade surface, and a blade section connecting the root and the tip, 2 corresponds to the extension end portion, the tip joining surface corresponds to the extension portion joining surface, the tip blade surface corresponds to the outer surface, and the blade-shaped cross section corresponds to the cross-sectional shape. The method described.

The method of claim 1, wherein the mandrel is made of a material selected from the group consisting of pure metals, metal alloys, polymers, waxes and salts.

The method of claim 1, wherein the ceramic mold also has at least one contaminant relief means in communication with the mold cavity and adapted to prevent the accumulation of contaminants during the dipping process.

The method further comprises heating an extended end of the article by an external heating means during any of the steps of dipping, holding or pulling out to control the temperature gradient within the interface and the article. The method described.

The method of claim 1, further comprising cooling the article by an external cooling means during any of the dipping, holding or pulling steps to control temperature gradients within the interface and article.

Furthermore, during any of the steps of dipping, holding or drawing, a step of heating the extended end portion of the article by an external heating means and a step of cooling the article by an external cooling means at a position other than the extended end portion of the article The method of claim 1, wherein both steps are performed to control temperature gradients within the interface and article.

The method according to claim 1, wherein the integral extension has a directionally oriented microstructure.

9. The method of claim 8, wherein the directionally oriented microstructure of the monolithic extension is substantially an epitaxial extension of the directionally oriented microstructure of the extension end of the article.